ЕЛСтафани основы ПОСТРОЕНИЯ АСУТП
Для студентов вузов
ББК 32.965 С 79
УДК [658.012.011.56:681.5] (075.8)
Рецензенты: Кафедра АСУ ТЭС Ивановского энергетического ин-та; М. П. Шальман
Стефани Е. П.
С 79 Основы построения АСУ ТП: Учеб, пособие для вузов. — М.: Энергоиздат, 1982..— 352 с., ил.
В пер. 95 к.
Рассмотрены основные понятия, состав, функции и стадии создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Приведены примеры конкретных АСУ ТП для ведущих отраслей народного хозяйства (энергетики, химии, металлургии), а также примеры расчета показателей технико-экономической эффек-твносги таких систем.
Для студентов вузов, специализирующихся в области АСУ, а также инженерно-технических работников, занятых разработкой и применением различного рода АСУ.
1502000000-205
С051(01)-82	' 200'82-
ББК 32.965
6Ф6.5
ЕВГЕНИЙ ПАВЛОВИЧ СТЕФАНИ
Основы построения АСУ ТП
Редактор Л. О. Хвилевицкий
Редактор издательства А. Н. Гусяцкак
Технический редактор О. Д, Кузнецова
Корректор Г. А. Полонская
ИБ № 3020
Сдано в набор 16.10.81 Подписано ь печать 03.02.82 Т-05538 Формат 84Х108‘/з2
Бумага типографская	№ 1 Гарн.	шрифта литературная	Печать высокая
Усл. печ. л. 18,48 Уч.-изд. л. 20,4 Тираж 17000 экз. Заказ 1341 Цена 95 к.
Энергоиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 113114, Москва, ДА-114, Шлюзовая наб., 10
(Э Энергоиздат, 1982
ПРЕДИСЛОВИЕ
В нашей стране накоплен значительный опыт построения различных автоматизированных систем управления, в том числе автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами (АСУ ТП). С каждым годом все больше специалистов принимают участие в исследованиях, разработках, создании и эксплуатации автоматизированных систем управления (АСУ). Для многих эта область деятельности является новой и, чтобы успешно работать в ней, им необходимо получить представление об основах построения АСУ ТП. Публикации в научно-технической литературе рассредоточены по многочисленным статьям, брошюрам и некоторым монографиям, большинство которых ориентировано на сравнительно небольшой круг подготовленных читателей.
Читатель, желающий глубже понять суть вопроса, встречается с трудностью, состоящей в том, что для определения одних и тех же понятий в области АСУ ТП авторы различных публикаций нередко пользуются разными терминами и, наоборот, в один термин они зачастую вкладывают существенно различное содержание; это можно в какой-то мере объяснить недавним возникновением проблемы АСУ и относительно быстрым получением новых теоретических, методических и практических результатов.
Предлагаемое пособие, конечно, не является развернутой монографией, освещающей всю глубину и сложность задач построения АСУ промышленными объектами; оно представляет лишь краткое изложение основных понятий об АСУ ТП, их назначении, функциях, структуре, стадиях создания, анализе функционирования систем и их эффективности.
3
Пособие составлено на основе опыта совместных работ Центрального научно-исследовательского института комплексной автоматизации со многими организациями и промышленными предприятиями страны по созданию АСУ ТП, а также с использованием нормативно-методических документов Государственного комитета по науке и технике и Госстандарта СССР.
Автор благодарен коллегам по работе — высококвалифицированным специалистам в соответствующих областях автоматизации за большую помощь, оказанную ему при написании этой книги.
Особую признательность автор приносит научному редактору пособия Л. О. Хвилевицкому, а также рецензентам — кафедре АСУ ТЭС Ивановского энергетического института и М. П. Шальману.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития промышленного производства характеризуется переходом к использованию передовой технологии, стремлением добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые производственные потери. Все это возможно только при условии существенного повышения качества управления промышленными объектами, в том числе путем широкого применения АСУ ТП.
Технико-экономическими предпосылками создания АСУ .ТТГ являются прежде всего рост масштабов производства, увеличение единичной мощности оборудования, усложнение производственных процессов, использование форсированных режимов (повышенные давления, температуры, скорости, реакций) появление установок и целых производств, функционирующих в. критических режимах, усиление и усложнение связей „между отдельными звеньями технологического процесса. В последнее время в развитии многих отраслей промышленности появились новые факторы, связанные не только с повышением требований к количеству и качеству выпускаемой продукции, но и с напряженностью в области трудовых ресурсов. Рост производительности труда, в том числе путем его автоматизации, становится практически единственным источником расширения производства. Указанные обстоятельства предъявляют новые требования к масштабам использования и к техническому уровню АСУ ТП, к обеспечению их надежности, точности, быстродействия, экономичности, т. е. к эффективности их функционирования.
5
Еще одной важной предпосылкой применения АСУ ТП в промышленности является необходимость реализации значительных потенциальных производственных резервов. Заметим, что техническая база производства в большинстве отраслей промышленности достигла к настоящему времени такого уровня развития, при котором эффективность производственного процесса самым непосредственным и существенным образом зависит от качества управления технологией и организации производства. Поэтому на первый план выдвигается задача о п т и м а л ьн о г о управления технологическими процессами, решить которую без развитой АСУ ТП в большинстве случаев невозможно.
Однако следует иметь в виду, что создание АСУ ТП является сложной научно-технической и организационно-экономической проблемой, решение которой требует значительных и все возрастающих трудовых, материальных и финансовых ресурсов. Вследствие этого в качестве первоочередных выступают задачи наиболее эффективного использования капитальных вложений, правильного выбора направлений, установления очередности и рациональных объемов работ по созданию и применению АСУ ТП. При их решении немаловажную роль играют обоснование, определение и анализ технической рациональности и экономической эффективности автоматизированных систем управления па основе единых и научно обоснованных методических принципов.
Закономерность появления и отличительные признаки АСУ ТП станут более понятными, если рассмотреть хотя бы вкратце в историческом аспекте возникновение и развитие систем автоматизации промышленных объектов. Она прошла через
ных этапов. Как правило, переход к каждому из них был связан с появлением новых технических^средств.,В свою очередь эти средства разрабатывались в ответ на непрерывно растущие требования практики управления, обусловленные усложнением процессов производства и ограниченностью возможностей человека как их непосредственного участника.
Задача управления технологическими процессами возникла одновременно с появлением материальною производства, т. е. процессов целенаправленного преобразования материи или энергии. Первоначально всю эту задачу решал человек, который, подавая определенные б
количества материала и (или) энергии, одновременно «на глаз» оценивал ход процесса, при необходимости корректировал его и устанавливал момент завершения преобразования.
По мере усложнения производства требовалось более развитое и точное управление. В таких условиях ограниченность способностей человека, невозможность «на глаз» и «на ощупь» проконтролировать процесс производства были серьезным препятствием для дальнейшего развития. Поэтому первыми помощниками человека стали различные контрольно-измерительные устройства.
На заре автоматизации человек вел технологический процесс, находясь возле местных.,-контрольно-измерительных приборов, установленных непосредственно на оборудовании и работающих в прямом контакте с материальными потоками. Эти средства давали ему возможность более точно и, главное, объективно оценивать работу технологического объекта и, следовательно, улучшать его использование.
Дальнейший рост мощностей и размеров оборудования заставил задуматься о том, как освободить рабочего от утомительной задачи: все время находясь у работающих машин и аппаратов, следить за показаниями приборов и вручную осуществлять необходимые подстройки и переключения. В этой связи важным техническим достижением явилось создание измерительных, регулирующих и исполнительных устройств с внешним источником энергии, в том числе — исполнительных механизмов с пневматическим и электрическим приводом. Это позволило организовать посты контроля.и дистанционного управления и.широко применить автоматические регуляторы. В результате значительно улучшились условия работы обслуживающего персонала: уменьшилась физическая нагрузка, более удобным стало рабочее место, благоприятнее стала и внешняя среда.
С освоением контрольно-измерительных и управляющих устройств с унифицированным выходным сигналом появилась возможность объединять местные посты в центральные щиты управления. Были разработаны и стали широко применяться так называемые мнемосхемы, па которых в изображение технологической схемы объекта встраивались приборы сигнализации и индикации. Применение мнемосхем значительно улучшило
7
условия работы оператора. В связи с унификацией сигналов открылись новые пути для развития техники автоматизации, что привело к появлению агрегатных комплексов технических средств, а также центральных пунктов упраддлшия.
С введением унифицированных измерительных и управляющих сигналов, передаваемых на расстояние, переработка информации была территориально отделена от технологического процесса. Она сконцентрировалась в центральном пункте управления, где были установлены соответствующие приборы: регуляторы, задатчики, ключи управления, самописцы и т. д. Этих средств длительное время было вполне достаточно для выполнения алгоритмов контроля и управления, предлагаемых теорией и удовлетворяющих запросам практики.
Таким образом, к концу рассматриваемого периода были достаточно полно автоматизированы действия по получению, сбору и представлению информации о состоянии отдельных технологических переменных объекта и по дистанционному осуществлению на него управляющих воздействий, т. е. два основных функциональных элемента системы управления. Оставался неавтоматизированным третий элемент — принятие решений, без которого эффективное управление любым объектом невозможно: располагая информацией об управляемом объекте, нужно ее использовать для проведения требуемых вычислений, па основании которых необходимо принять решение и осуществить управление технологическим процессом.
Значительным подспорьем в решении этой задачи для человека-оператора служили автоматические регуляторы; они освобождали его от необходимости ежеминутно принимать решения по управлению большим количеством стабилизируемых технологических переменных. Однако управление процессом в целом оставалось за оператором: практически трудно осуществить правильное автоматическое взаимодействие большого числа регуляторов, обеспечивающих раздельное регулирование параметрами в каждом контуре (участке) процесса, т. е. создать взаимосвязанную систему автоматического управления процессом как единым целым. По-прежнему оператор должен был принимать решения по управлению, относящиеся к взаимодействию многих контуров. Для этого он по показаниям измерительных приборов
Интуитивно производил необходимые оценки и вычисления, принимал решения и осуществлял управляющие воздействия. Однако по мере усложнения процессов даже самые квалифицированные операторы перестали удовлетворительно справляться с этими задачами.
Чтобы яснее представить себе всю трудность стоящих перед каждым оператором задач, следует учесть, что при управлении современным промышленным объектом к нему надо подходить как к единому целому, а не как к набору различных независимых элементов. Необходимо весь производственный процесс вести в некотором оптимальном режиме, при котором может быть получен надлежащий эффект управления. Важно также отметить, что системы управления, используемые в настоящее время в промышленности, часто принадлежат к так называемым большим системам, т. е. характеризуются участием значительного числа людей, разнообразных машин и аппаратов, наличием связанных между собой достаточно сложных подсистем, обладающих своими частными целями и критериями и, наконец, наличием развитой иерархии уровней управления: агрегат—производство—предприятие.
Анализ подобных промышленных объектов и систем управления показывает, что для них характерны следующие тенденции:
практически во всех отраслях промышленности наблюдается неуклонное возрастание единичной производительности агрегатов; так, за последнее десятилетие мощность создаваемых энергоблоков тепловых электростанций последовательно повышалась до 300, 500 и 800 ^Вт, а в последнее время превзошла 1 млн. кВт; аналогичная картина укрупнения объектов наблюдается на предприятиях нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности; как следствие увеличиваются важность и технико-экономическая результативность управления технологическими объектами;
соответственно интенсивно возрастает необходимая «мощность» применяемых систем контроля и управления; иллюстрацией этой тенденции может служить рис. B.I, на котором показаны кривые изменения числа точек измерения и числа управляющих воздействий на объектах тепловых электростанций за последние 20 лет (по данным 12 зарубежных электростанций); если
9
Годы
ВЛ. Рост количества информации в системах управления.
В 1965 г. число измеряемых сигналов не превышало в среднем 500, то в 1975 г. оно уже приближалось к 3000; число управляющих сигналов за этот же период времени возросло с 500 до 2000; эти цифры наглядно показывают изменение масштабов управления крупными технологическим объектами;
в последнее время коренным образом изменяются взгляды па значение энергетических ресурсов, экономию топлива, роль человека в производстве и на защиту окружающей среды; в результате происходит существенное повышение требований к качеству ведения технологических процессов;
по мере повышения степени автоматизации производства происходит естественный процесс вовлечения все новых и новых агрегатов и участков в сферу действия централизованного управления. Этот процесс диктуется экономическими соображениями: оптимизация работы отдельного агрегата или отдельной установки не гарантирует максимального экономического эффекта для производства в целом; оптимум для пего чаще всего достигается при некотором компромиссе между частными критериями оптимизации. В результате этого растет, однако, степень взаимосвязанности отдельных агрегатов и усложняются алгоритмы управления объектом в целом; возникают задачи создания интегрированных систем управления. Все это приводит к резкому усложнению задач управления.
В таких условиях и возникла проблема автоматизации собственно управления, т. е. процесса принятия решений, которая потребовала привлечения современных математических методов и новых технических средств. В результате появились автоматизированные системы управления, т. е< развитые человеко-машинные системы» реализующие такой автоматизированный процесс сбора и переработки информации, который необходим для принятия решений по управлению.
10
объектом (процессом, производством}, в^целрм^При этом роль человека в любой АСУ весьма существенна: так как ряд ответственных задач принятия решений в силу их сложности, многогранности и неизученное™ не поддается формализации, их выполнение не может быть полностью автоматизировано и остается за человеком.
По мере развития отмеченных выше тенденций стало очевидно, что функциональные возможности традиционных средств автоматизации в сфере переработки информации уже недостаточны. И тогда на первый план вышла электронная вычислительная машина (ЭВМ). Она сразу взяла на себя практически все функции сложной первичной обработки данных и централизованного контроля, а также рутинную задачу ведения отчетности (составления протоколов) о работе технологического объекта, ставшую в усложнившемся производстве обязательной. Но это было только начало. Поскольку ЭВМ стоила слишком дорого, разработчики систем управления старались возложить на нее как можно больше функций. В этой ситуации стремление автоматизировать процессы принятия решений помогло быстро осознать значение новых функциональных возможностей ЭВМ во многих направлениях.
В результате средства вычислительной техники стали не только разгружать человека от выполнения рутинной нетворческой работы, связанной с большим числом простых операций по обработке крупных массивов информации, но и оказывать ему помощь в выполнении творческих задач (принятие решений по распределению ограниченных ресурсов, оптимизации технологического процесса и т. п.).
Важно отметить, что по мере повышения степени автоматизации принятия решений, необходимых для управления отдельными технологическими аппаратами и участками, последние теряют значение самостоятельных объектов управления и сливаются во все более крупные производственные комплексы. В результате появились мощные централизованные системы управления, в которых с помощью ЭВМ концентрируются контроль и управление большим числом агрегатов. Понятно, что в такой системе оператор-технолог как звено, принимающее наиболее ответственные решения по управлению всем объектом в целом, играет исключительно важную роль. Именно поэтому такие человеко-
11
машинные системы управления называют автоматизированными (в отличие от автоматических, т. е. работающих без участия человека).
Таким образом, АСУ. ТП возникли как результат последовательного развития промышленных систем управления под влиянием требований планомерного увеличения мощности технологических объектов, повышения качества ведения процесса и улучшения условий работькобслуживдющего персонала. Эти преимущества достигались в основном путем расширения масштабов, и функциональных возможностей автоматической части систем управления, что сопровождалось увеличением объемов информации и усложнением ее переработки в информационных и управляющих устройствах. Непосредственными предшественниками современных АСУ ТП (и их простейшей, начальной формой) явились традиционные системы автоматизации промышленных объектов, представляющие собой совокупность средств автоматического контроля, регулирования, защиты и других систем так называемой локальной автоматики, установленных на отдельных агрегатах. Такие системы развивались путем постепенного объединения разрозненных средств автоматизации в единую систему по мере появления подходящих технических средств. При этом первоначально локальные системы сохранялись на каждой новой ступени развития неизменными, возникали лишь новые уровни управления, связывающие предыдущие. Поскольку многие технологические объекты имеют значительную пространственную протяженность, сначала сложилась децентрализованная структура системы в целом, при которой отдельные аппаратные элементы системы управления располагались в разных частях объекта.
С появлением новых технических средств и дальнейшим развитием систем управления постепенно начался процесс централизации систем управления, в котором можно выделить два этапа.
Первый этап начался в связи с созданием измерительных преобразователей, имеющих унифицированный выходной сигнал. Они дали возможность получать информацию о значениях технологических переменных (температур, давлений, расходов и т. п.) в виде сигналов тока, напряжения или частоты. Это по существу означало развязку между процессами измерения и по-}2
следующими процессами обработки сигнала. За этим последовала, как отмечалось выше, территориальная концентрация вторичных приборов, регуляторов и других аналоговых устройств, что дало ряд преимуществ и прежде всего лучшие возможности для размещения, обслуживания и ремонта приборов. Кроме того, облегчались ручное и дистанционное управление процессом, коррекция уставок регуляторов и др.
Заметим, что, несмотря на территориальное совмещение приборов, процесс обработки сигналов протекал по-прежнему децентрализованно, в отдельных измери-
Ригулирвваяиз
Р__
Индикация
Сигнализация
Управление
В.2. 'Централизованная (а) и централизованная (6) обработка сип1С1ов.
тельных и регулирующих устройствах. Кроме того, данные передавались раздельно по каждому контуру, т. е. децентрализованно (рис. В.2,о).
Вторым этапом (завершающим) в этом процессе явилась централизация функций обработки сигналов. Переход от децентрализованной к централизованной схеме обработки иллюстрируется на рис. В.2,б. Здесь
показано, что на смену традиционной структуре, при которой функции контроля, регулирования и управления осуществляются с помощью обычных аналоговых приборов, пришла структура, при которой все измерительные сигналы собираются в одном устройстве, осуществляющем их переработку в сигналы управления.
В системах управления особенно большими, протя-женными объектами вместо децентрализованной передачи сигналов (рис. В.3,а) применяют централизованную,
ВНъект дправлвяая £
В.З. Децентрализованная (а) и централизованная (б) передача риг-налов.
осуществляемую с помощью соответствующих телемеханических устройств (рис. В.З,б). Все измерительные сигналы концентрировались на передающей стороне водном устройстве — передатчике, осуществляющем их смешение. Смешанный сигнал передавался по единому каналу, а на противоположной стороне он снова разде*
14
Лялйя в tip нем нике на отдельные сигналы, которые йб-ступали на соответствующие приборы. Такая телемеханическая передача сигналов оказалась экономически оправданной при расстояниях, превышающих несколько сотен метров.
Появление ЭВМ с их широкими возможностями в области обработки и хранения данных сыграло решающую роль в централизации функций АСУ ТП. Один центральный процессор не только успешно заменил большое число местных приборов, но и позволил строить системы управления, выполняющие неизмеримо более сложную обработку сигналов, в частности расчеты по модели технологического процесса (как составной части алгоритмов контроля и управления), оптимизацию режима, адаптивное управление и т. п.
Учитывая особую роль, которая принадлежит ЭВМ как в самих АСУ ТП, так и в истории их становления -и развития, кратко рассмотрим эволюцию современных средств вычислительной техники и возможностей их применения в системах управления. Такое рассмотрение целесообразно также потому, что, хотя с момента появления первых промышленных ЭВМ прошло около трех десятилетий, а с момента их широкого использования для построения АСУ немногим более 15 лет, за это время и в области ЭВМ, и в области АСУ произошли существенные изменения.
Как известно, развитие разработок и производства ЭВМ принято характеризовать как последовательность так называемых поколений машин с их особенностями и соответствующими областями применения. В этой связи можно выделить три этапа развития АСУ в нашей стране.
Первый этап занимает период примерно с конца 50-х до середины 60-х годов, когда делались попытки использовать в системах управления ламповые ЭВМ первого поколения. Этот этап может рассматриваться как пре-дыегория развития АСУ. Громоздкость, низкие технические характеристики и ограниченные возможности ламповых ЭВМ позволили осуществить создание лишь отдельных элементов и макетов АСУ.
Второй этап (середина 60-х годов — середина 70-х годов) характеризуется созданием АСУ на базе ЭВМ второго^поколения. Построенные на полупроводниках и хорошо освоенные в серийном производстве, эти маши-
16
ны нашли широкое применение в заводских вычисли* тельных центрах, в том числе для расчетов по управлению хозяйственно-экономической и реже производственной деятельностью предприятий. Однако ЭВМ второго поколения были мало пригодны для применения в АСУ ТП, так как не имели необходимых устройств сопряжения с объектом и не могли выполнять свои функции в так называемом режиме реального времени, т. е. в темпе, диктуемом ходом управляемого процесса. Несмотря на такие существенные ограничения в этот период были найдены решения многих проблем создания АСУ—теоретические, технические, математические и организационные.
Начиная примерно с середины 70-х годов, осваиваются и внедряются в практику производства ЭВМ третьего поколения. Переход в них к использованию интегральных микросхем и к агрегатному принципу построения, способность работать в режиме реального времени, существенное повышение гибкости архитектуры, надежности и других параметров ЭВМ, а также количественное и качественное расширение периферийного оборудования — все это открыло по существу новый, третий этап развития АСУ. Именно на этом этапе впервые появились технические возможности для широкого распространения АСУ ТП, построенных на базе ЭВМ.
Дальнейшее развитие АСУ ТП происходит в настоящее время под влиянием требований повышения их эффективности и качества (в том числе надежности, эргономичности и точности). Важную роль в этЬм процессе играют новые технические средства — микропроцессоры и видеотерминалы (дисплеи). В центральной части систем происходит децентрализация функций путем распределения вычислительной работы между автономными подсистемами, каждая из которых базируется на свою микро-ЭВМ. В периферийных частях видеотерминал успешно вытесняет параллельное представление информации с помощью многочисленных традиционных приборов. Дисплейная техника позволяет отображать состояние сложного объекта управления в виде визуального образа, непосредственно и легко воспринимаемого оператором-технологом.
Однако успешное развитие техники позволило быстро обнаружить новое «узкое место» в проблеме автоматизации управления производством. Стало очевидно, что 16
дальнейший прогресс в оснащении промышленных тех* нологических объектов развитыми и эффективными АСУ невозможен без наличия отработанных алгоритмов и программ, необходимых для выработки обоснованных решений по управлению с использованием ЭВМ.
Действительно, важными предпосылками автоматизации управления любым объектом служат содержательное описание и изучение деятельности людей с последующей формализацией их функций, допускающих строгое математическое описание (алгоритмизацию) и передачу машинам. Переход от содержательного словесного описания к формализованному—одно из проявлений общей закономерности научного познания — является необходимым звеном процесса передачи деятельных функций человека техническим средствам. Применительно к АСУ ТП это означает, что все действия по контролю и управлению технологическим объектом, поручаемые ЭВМ, должны быть полно и однозначно описаны сначала на строгом языке алгоритмов, т. е. математических правил и выражений, а затем в виде программ, т. е. последовательностей команд, выполняемых вычислительной машиной.
Роль алгоритмов и программ в современной АСУ ТП особенно велика, так как без них нельзя ни использовать для автоматизации управления огромные возможности вычислительной техники, ни организовать эффективное взаимодействие человека и ЭВМ как его инструмента — средства управления. Не случайно совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, применяемых в АСУ ТП для обработки информации и получения требуемых результатов, и совокупность всех программ, выполняемых ЭВМ для этих целей, получили соответственно названия математического и программного обеспечения АСУ ТП. Другими словами, математическое и программное обеспечение является необходимым условием для функционирования таких систем наравне с техническим обеспечением, охватывающим весь комплекс средств автоматики и вычислительной техники. Математическое и программное обеспечение АСУ ТП также претерпело за последние годы ряд изменений. В результате усложнения технологических объектов и задач управления ими стоимость разработки и отладки полного комплекса соответствующих алгоритмов и программ во многих АСУ ТП стала соизмеримой 2—134!	17
с затратами на приобретение и монтаж всех технических средств системы, включая ЭВМ.
Краткое рассмотрение этапов развития АСУ ТП позволяет выделить несколько основных вопросов, без освещения которых любое изучение таких систем будет неполным.
Каковы основные разновидности и назначение современных АСУ ТП?
В чем состоят особенности применения ЭВМ в АСУ ТП?
Как организуется в АСУ ТП взаимодействие человека и техники?
Какие основные компоненты входят в состав АСУТП?
Каковы стадии и главные этапы создания и эксплуатации АСУ ТП?
От чего зависит эффективность таких систем?
Этим и некоторым другим . вопросам посвящено данное пособие.
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Прежде чем перейти к рассмотрению основных понятий, применяемых в области автоматизированных систем управления, попытаемся определить термин система, который в последнее время употребляется очень часто в самом широком смысле. Общепринятого, единого определения этого термина до сих пор, к сожалению, не существует. Тем не менее авторы большинства монографий, справочников и словарей пользуются толкованиями и определениями, близкими к следующему: система — это совокупность взаимодействующих элементов Другими словами, считается, что любая система представляет собой не просто набор элементов (хотя бы и имеющих общий признак), а определенную целостность, обеспечиваемую наличием связей и взаимодействия между ее элементами. Часто подчеркиваются также важные особенности, свойственные многим техническим, социальным и биологическим системам: наличие единой цели и как следствие деленаправленный характер взаимодействия элементов.
Любая система существует не сама по себе, а в окружении внешней среды, которая взаимодействует с ней в целом или с отдельными ее элементами. Взаимодействие элементов системы как между собой, так и с внешней средой вносит известную неопределенность в понятие о границах системы и затрудняет ее локализацию. Поэтому обычно приходится ограничивать число учитываемых взаимосвязей, отбрасывая несущественные, мало влияющие на функционирование системы и на точность получаемых моделей. По мере расширения и уточнения 2е	19
знаний о системе, по мере составления все более точной ее модели необходимо вновь возвращаться к вопросу о границах системы, взаимосвязях ее с внешней средой, корректируя первоначальное представление.
Из неограниченного множества различных систем далее будет рассмотрен подробно лишь один их класс — системы управления процессами производства продукции на промышленных предприятиях. Сами процессы материального производства (вместе с оборудованием, в котором или с помощью которого они осуществляются) тоже можно считать системами. Однако далее они будут интересовать нас только как объекты управления.
Заметим, что практически все современные процессы производства должны выполняться в соответствии с определенными инструкциями, правилами, регламентными нормами. Их выбором занимаются технологи специалисты по технологии, т. е. способам осуществления различных превращений предметов труда в ходе производства. Соответственно процессы превращения исходных материалов (сырья, полуфабрикатов, заготовок и т. д.) в готовую продукцию называют технологическими процессами.
Осуществление любого технологического процесса в материальном производстве требует выполнения, на первый взгляд, вспомогательных, но на самом деле очень важных действий по управлению им, т. е. по изменению хода процесса в желаемом направлении. Именно поэтому технологические процессы производства могут и должны рассматриваться как управляемые объекты.
Чтобы получить представление об особенностях и характере функционирования современных систем управления технологическим объектом, рассмотрим их общую структурную схему, представленную «а- рис.1.1. Текущая информация о состоянии технологических процессов, протекающих в управляемом объекте, поступает в управляющую систему, выполняющую ряд действий, начиная со сбора информации и кончая воздействием на объект управления. Поступившая от объекта информация сравнивается с заданием системе управления, которое формируется вне ее с учетом цели функционирования системы. Результаты сравнения анализируются, после чего готовятся и принимаются решения. На рисунке показана также возможность принятия решений на основании результатов контроля и анализа.
20
А. Автоматизированная система управления предприятием (АСУП) прцдцдзшшеиа для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и (иди) его самостоятельных частей на основе щдшешжия экономико-математических методов и средств вычислительной техники.
Проблема автоматизированного управления современным промышленным предприятием относится к числу весьма сложных и трудоемких. Отметим основные особенности АСУП, определяющие специфические трудности их создания и использования:
• а) доминирующее значение в АСУП имеют экономические задачи управления: нормальное функционирование предприятия возможно лишь при наличии непрерывных связей между производством и снабжением, производством и финансовыми средствами, производством и реализацией готовой продукции;
< б) определяющими в управлении предприятием являются не технологические ограничения, а (директивные указания) в виде плана, имеющие силу закона и обязательные к исполнению;
5 в) существенны постоянная взаимосвязь со множеством других предприятий (организаций) и наличие вследствие- этого таких специфических задач, как управление снабжением, сбытом, финансовой деятельностью, составление статистической отчетности, учет стоимостных показателей, проблемы бухгалтерского учета, экономико-статистические расчеты и т. д.;
9 г) важную роль играют разнообразные задачи управления людьми и трудовыми ресурсами (подготовка приказов и распоряжений, контроль за приемом и увольнением, расчет заработной платы, контроль за ее планированием и расходованием и т. д.);
§ д) в АСУП используются специфические формы хранения и движения информации — документооборот, связанный с участием в решении общей задачи управления большого коллектива людей.
Вследствие сильной взаимосвязанности различных показателей работы предприятия основным критерием управления для АСУП является прибыль предприятия За планируемый период (например, за 1 год). Максимизация этого критерия при учете остальных показателей в виде соответствующих ограничений может
23
часто считаться формализованной целью работы предприятия.
Б. Автоматизированная система управления технологическим процессом — это АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. Так как это одна из разновидностей АСУ, то ей свойственны следующие признаки, общие для всех АСУ:
АСУ ТП — это человеко-машинная система, в которой человек играет важнейшую роль, принимая в большинстве случаев содержательное участие в выработке решений по управлению;
существенное место в АСУ ТП занимают автоматические устройства (в том числе средства вычислительной техники), выполняющие трудоемкие операции по сбору, обработке и переработке информации;
цель функционирования АСУ ТП — оптимизация работы объекта путем соответствующего выбора управляющих воздействий
Кроме того, следует иметь в виду, что АСУ может быть отнесена к классу АСУ ТП только в том случае, если она осуществляет‘'Воздействие на объект в томике темпе, что и протекающие в нем- технологические процессы, обеспечивает управлениёЧгехнологическим объектом в целом, а ее технические средства участвуют в выработке решений по управлению. Последними двумя обстоятельствами АСУ ТП качественно отличается от традиционных систем автоматизации и разнообразных локальных систем автоматики, которые по существу представляют собой технические средства для автоматизации действий человека на том или ином участке процесса. В отличие от этого в АСУ ТП реализуется автоматизированный процесс принятия решений по управлению технологическим объектом как единым целым, для чего в АСУ ТП применяются различные «интеллектуальные» автоматические устройства переработки информации, и прежде всего — современные средства вычислительной техники.
В. Интегрированные АСУ. По современным воззрениям, отраженным в соответствующих нормативных документах, АСУ ТП не входят непосредственно в состав АСУ предприятиями. При разработке, внедрении и эксплуатации на одном предприятии АСУ ТП и АСУП они 24
рассматриваются как взаимосвязанные, но отдельные системы, между которыми существуют отношения иерархической соподчиненное™ как младшего,к старшему, а не как части к целому. Аналогично трактуются соотношения между АСУП и отраслевыми АСУ (ОАСУ), АСУ агрегатами и АСУ производствами: все они не «вложены» одна в другую, а образуют многоуровневую иерархию автоматизированных систем управления промышленными объектами, схематически показанную на рис. 1.2.
При наличии на предприятии автоматизированной системы управления, относящейся к классу АСУП, АСУ ТП получает от соответствующих подсистем АСУП задания и .ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объем производства, заданные значения технико-экономических показателей и др.), а также обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой технико-экономической информации, в частности, о выполнении заданий, основных показателях выпускаемой продукции, состоянии оборудования, ходе технологического процесса и др.
Органичное объединение нескольких АСУ ТП между собой или с АСУП, осуществляемое с целью повышения общей технической и экономической эффективности их
Рис, 1.2. Иерархия автоматизированных систем управления.
25
функционирования, приводит к появлению на промышленных предприятиях интегрированных АСУ (ИАСУ). Следует подчеркнуть, что ИАСУ особенно эффективны в тех случаях, когда в них реализуется взаимоувязанное, согласованное управление как технологией, так и организацией производства в масштабе всего предприятия. Однако возможны также ИАСУ меньшего масштаба, управляющие цехом, отдельным производством и т. д.
1.2. НАЗНАЧЕНИЕ, ЦЕЛИ И ФУНКЦИИ АСУ ТП
___.'Назначение любой автоматизированной системы уп-' равления, ее необходимые функциональные возможности, желаемые технические характеристики и другие особенности в решающей степени определяются тем объектом, для которого создается данная система.' Для АСУ ТП управляемым объектом является так называемый технолог и ч е.с к нй о.б ъ е.к т управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического обурудования и реализованного на нем по соответствующим” инструкциям .или регламентам технологического процесса производства целевого продукта. Приведенное определение понятия ТОУ подчеркивает, с одной стороны, ед.ипетво.„дроцесса. и..х>барудов.анпя и, с другой — законченность преобразования входных ресурсов в конечный, пррдда; (металл, электрическая или тепловая энергия, химические вещества, изделия и т. п.).
Управляя ТОУ, АСУ ТП воздействует непосредственно на те или иные элементы оборудования: дроссельные и отсечные клапаны, задвижки, заслонки, дозирующие устройства и т. п. Интенсивность этих управляющих воздействий во время эксплуатации выбирают так, чтобы реализуемый в технологическом оборудовании процесс переработки входных материальных и энергетических потоков осуществлялся наиболее целесообразным образом.
При разработке АСУ ТП важно правильно выделить объект управления из общей производственно-технологической структуры предприятия.; Для этого учитывают назначение и роль отдельных аппаратов, агрегатов и установок, степень зависимости их работы от других, соседних производственных участков, наличие раздели-26
тельных (буферных) емкостей между ними, наконец, принятую (или желательную) на данном производстве степень централизации управления. В соответствии с этим в качестве ТОУ могут рассматриваться:
технологические агрегаты и установки;
отдельные производства, реализующие самостоятельный, законченный технологический цикл;
производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им носит в первую очередь и в основном технологический характер, т. с. заключается в выборе и согласовании 'рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов, участков и производств.
.. Назначение АСУ ТН-ибычнп мцжты>нре.ь>лить как ' целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и'вышестбящйх~систем управдеГ ниЯ' необходимой _ _информади£Щ' В ряде случаев, когда функционирование новых сверхмощных объектов без современной АСУ, оказывается практически невозмояо ным, назначением такой системы является достижение руалпауемост»-н устойчивости технологического процесса при высокбинтёнсиввых ’ ц~эдойбмоийх режимах И£-_ пользования" оборудования..
Создание"*и функционирование каждой АСУ ТП должно быть направлено на получение вполне определенных технико-экономических результатов (снижение себестоимости продукции, уменьшение потерь, повышение производительности труда, качества целевых продуктов, улучшение условий труда персонала и т. п.). Поэтому после определения назначения АСУ ТП необходимо четко конкретизировать цели функционирования системы. Примерами таких целей для промышленных технологических объектов могут служить: обеспечение безопасности его функционирования; стабилизация параметров входных потоков; получение заданных параметров выходных продуктов; оптимизация режима работы объекта; согласование режимов работы оборудования.
Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью так называемого критерия у п р а в д.е н и я, т. е. показателя, достаточно полно характеризующего качество ведения технологического процесса и принимающего числовые значения в зависимости от вырабатываемых системой управляющих воз-
27
действий. В строгой, обычно математической, форме критерий управления конкретизирует цель создания данной системы. Одна из общих постановок вопроса о критерии управления сводится к стремлению получить наибольший экономический эффект, который определяется разностью стоимостей получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и прочих затрат. Оптимальным будет такое управление процессом, которое позволит добиться максимального значения этой разности.
Не меньшую роль, чем критерий, играют огр а нщ чения, которые должны соблюдаться,при выборе управляющих воздействий. Ограничения бывают двух видов: физические, которые не могут быть нарушены даже при неправильном выборе управляющего воздействия, и усдрвнывг-которые могут быть нарушены, но нарушение приводит к значительному ущербу, не учитываемому критерием. При управлении часто наиболее существенные факторы учитываются именно ограничениями, а не критерием.
Как правило, общий критерий экономической эффективности управления технологическим процессом неприменим из-за сложности определения необходимых количественных зависимостей в конкретных условиях; в таких случаях формируют частные критерии оптимальности, учитывающие специфику управляемого объекта и дополненные условными ограничениями. Такими частными критериями, например, могут быть:
максимальная производительность агрегата при определенных требованиях к качеству продукции, условиях эксплуатации оборудования и т. д.;
минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объеме и заданного качества;
минимальный расход некоторых компонентов, например дорогостоящих присадок или катализатора.
Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимального) хода технологического процесса, в системе управления им необходимо в нужном темпе выполнять множество различных взаимосвязанных действий: собирать и анализировать информацию о состоянии процесса, регистрировать значения одних переменных и стабилизировать другие, принимать и реализовывать соответствующие решения по управлению и т. д. Именно эта «деятельность» системы управления была ранее названа 28
функционированием, т. е. выполнением ею установленных функций. Теперь дадим определение и краткие разъяснения этого понятия.
^Фудкция АСУ ТП—совокупность действий системы, я а пр а в л енных jga ~ достижение частной цели управления. При этом в качестве действий" рассматриваются заранее предопределенные и описанные в эксплуатационной документации последовательности операций и процедур, выполняемые частями системы. В большинстве случаев под термином «функция АСУ ТП» понимают такую законченную совокупность действий, выполняемых системой, которая проявляется вне ее и поэтому имеет определенную потребительскую ценность.
Функции АСУ ТП в целом как человеко-машинной системы следует отличать от функций, выполняемых комплексом технических средств системы (в том числе средствами вычислительной техники). Неправильно рассматривать вместо функций всей системы (включая человека) только совокупность действий, осуществляемых автоматически ее техническими средствами. Хотя значение подобных действий, реализуемых без участия человека, очень велико, однако они не характеризуют полностью поведение и возможности всей АСУ ТП. Как правило, в системе за человеком (оператором, диспетчером) сохраняется главная, определяющая роль в выполнении наиболее сложных и ответственных функциональных задач. Поэтому необходимо рассматривать весь комплекс функций АСУ ТП, включая те из них, которые осуществляются при участии персонала.
Принято различать информационные и управляющие функции АСУТП1.
К информационным относятся такие функции АСУ ТП, результатом выполнения которых является представление оператору системы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе управляемого процесса.
Характерными примерами информационных функций АСУ ТП являются:
контроль за основными параметрами, т. е. непрерывная проверка соответствия параметров процесса допу
1 Автоматизированная система управления технологическими процессами выполняет также ^.вспомогательные функции, к которым относится, например, контроль за исправностью функционирования самой АСУ, т. е. решение внутрисистемных задач и т. п.
29
стимым значениям и немедленное информирование персонала при возникновении несоответствий;
измерение или регистрация по вызову оператора тех параметров процесса, которые его интересуют в ходе управления объектом;
информирование оператора (по его запросу) о производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный момент;
фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса за допустимые пределы;
вычисление по вызову оператора некоторых комплексных показателей, не поддающихся непосредственному измерению и характеризующих качество продукции или другие важные показатели технологического процесса;
вычисление достигнутых технико-экономических показателей работы технологического объекта;
периодическая регистрация измеряемых параметров и вычисляемых показателей;
обнаружение и сигнализация наступления опасных (предаварийных, аварийных) ситуаций.
Выполняя эти основные информационные функции, АСУ ТП своевременно обеспечивает своего оператора (диспетчера) или вышестоящую систему сведениями о состоянии и любых отклонениях от нормального протекания технологического процесса.
У пр ав лающие. функции..АСУЛП включают в себя действия по выработке и реализации ^дшоавляюших воздействий на объект.,управления7 .Здесь под выработкой понимается определение (на оснований полученной информации) рациональных воздействий, а под реализацией— действия, обеспечивающие осуществление принятых после"ВЫработкй решений. ‘
К основным управляющим функциям относятся: стабилизация переменных технологического процесса на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства;
программное изменение режима процесса по заранее заданным законам;
защита оборудования от аварий;
формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима, оптимального по технологическому или технико-экономическому критерию;
30
распределение материальных потоков и нагрузок между технологическими агрегатами;
управление пусками и остановами агрегатов и др.
Перечень всех функций, выполняемых конкретной АСУ ТП (т. е. ее функциональный состав), характеризует внешние, потребительские возможности данной системы. Чтобы раскрыть ее внутреннее строение, обычно пользуются понятиями функциональной, технической и организационной структур АСУ ТП. Каждая из этих структур представляет собой определенный аспект системы, в котором проявляется та или иная грань ее внутреннего строения, т. е. один из возможных способов представления системы как совокупности ее частей (элементов) и связей между ними.
В функциональной структуре АСУ ТП элементами являются рассмотренные выше функции системы и их части (операции, процедуры), а связи между элементами отражают информационно-логическую последовательность и подчиненность их реализации. Значение такой структуры для содержательного описания и понимания строения АСУ ТП очень важно: она играет роль, аналогичную роли принципиальной схемы сложного устройства, с помощью которой раскрывается принцип его действия. Обычно только на соответствующей схеме функциональной структуры удается показать, какие именно совокупности действий, в какой последовательности выполняет данная АСУ ТП и что предпринимается для достижения принятых целей и критерия управления.
Техническая и организационная структуры АСУ ТП будут рассмотрены далее.
1.3. РАЗНОВИДНОСТИ АСУ ТП
Современные АСУ ТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени" автоматизации управления объектом, применяе-мы»Гтёхническим средствам и многим другим признакам й характеристикам.- Тем не менее, чтобы получить представление о том, какими бывают^АСУ .ТП, целесообразно рассмотреть характерные разновидности таких систем, различающиеся способами чыпплмгчшч дсипвныг информационных и^правляющих функций.
51
а)	АСУ ТП, функционирующие без вычислительного комплекса
Подобные человеко-машинные системы обычно применяются уд равлеш1я^о.тдельнь1Ми.относительио.ПрО-стыми технологическими агрегатами, установками или группами аппаратов (участками). В общей структуре управления производством такие системы занимают самую нижнюю ступень иерархии и поэтому характеризуются тесной связью с объектом, некоторой автономностью «поведения» (сравнительно малой зависимостью 'от других ступеней иерархии), наибольшей оперативностью контроля й управления..
Основные функции этих систем управления следующие:
- контроль параметров технологического процесса;
стабилизация технологического процесса на заданном постоянном режиме, определяемом регламентом производства;
программное управление (включая пуск и останов процесса);
защита оборудования от аварий;
оперативная связь со старшими ступенями управления.
Большая часть перечисленных выше задач управления в той или иной мере присуща и верхним уровням управления, однако задачи управления на нижнем уровне имеют свои специфические особенности.
Такие системы управления исторически были первой областью, в которой начали применяться автоматические устройства. Если задачи координации (средний уровень управления) и планирования (верхний уровень управления) еще до настоящего времени в большинстве случаев решаются людьми без применения непосредственно связанных с объектом технических средств автоматизации, то задачи, автоматического контроля и стабилизации температуры, давления и других технологических параметров и в ряде случаев задачи оптимизации успешно решаются с помощью автономных специализированных технических устройств..'
Как уже отмечалось, системы рассматриваемого вида имеют тесную, непосредственную связь с технологическим объектом управления. Практически вся информация о состоянии объекта вводится в такую систему ав-32
тематически от датчиков (первичных преобразователей), а управляющие воздействия поступают от нее непосредственно на регулирующие органы. При этом сбор информации и формирование управляющих воздействий обычно производятся либо непрерывно, либо с достаточно высокой частотой, определяемой темпом управляемого технологического процесса.
Вследствие многообразия форм связи с объектом технические средства, применяемые на нижной ступени управления, значительно более разнотипны и многочисленны, чем средства, используемые на верхних уровнях иерархии. В состав даже простейших систем нижнего уровня входят разнообразные .измерительные, регулирующие, ^логические и другие ^специализированные ^налого? вые и цифровые устройстваТКромё того, в'распоряжении .оператора системы имеются различные автоматические устройства контроля и управления, позволяющие 'разгрузить его от выполнения многочисленных однообразных действий по наблюдению за состоянием оборудования, управлению им и сосредоточить внимание на главных технологических параметрах и операциях. One- ' ратор и подчиненные ему технические средства состав--ляют единую автоматизированную систему управленияд объектом. Один из вариантов таких систем управления изображен на рис. 1.3, где схематично показаны их основные функционально-аппаратурные части (подсистемы) .
Назначение подсистемы дистанционного управления состоит в передаче воздействий оператора на исполнительные механизмы, удаленные от центрального пункта (поста) управления.
Подсистема автоматического регулирования должна поддерживать заданную производительность (мощность) установок и стабилизировать технологические параметры на заданном уровне. Устройства подсистемы защиты призваны предотвращать возникновение и развитие аварий и защищать установки от повреждений и разрушений при выходе из строя отдельных элементов оборудования, отказов или ложных действий систем регулирования, а также при ошибочных действиях оператора. Подсистема защиты, как правило, выполняется независимой, т. е. имеет собственные первичные устройства для измерений параметров технологических процессов, независимые каналы управляющих воздействий, а часто также 3—1341	33
Рис. 1.3. АСУ ТП без применения вычислительного комплекса.
собственные автоматически резервируемые источники питания.
Назначение устройств сигнализации состоит в том, чтобы в момент превышения параметром предельно допустимого значения четко информировать оператора о случившемся. С помощью приборов подсистемы индивидуального измерения контролируются наиболее важные технологические параметры; некоторые устройства регистрации помогают наблюдать за тенденцией изменения (уменьшением или увеличением) контролируемой величины и качеством работы систем управления отдельными участками. Кроме того, с помощью записывающих приборов можно анализировать причины возникновения, ход и развитие аварий и оценивать экономичность установки в течение длительных периодов времени.
Измерения по вызову необходимы для периодического наблюдения за менее ответственными параметрами; они выполняются оператором с помощью одного показывающего прибора, к которому подведены через специальное коммутирующее устройство измерительные цепи от группы первичных преобразователей (датчиков).
Массовый контроль применяется при необходимости проверять текущие значения большого количества однотипных вспомогательных параметров и малой вероятности отклонения их от заданного значения (например, температуру подшипников, уровни жидкости в буферных емкостях и др). Для массовых измерений применяются автоматические многоканальные измерительные системы, снабженные обегающими устройствами и связанные с подсистемой световой сигнализации.
Использование централизованных систем измерения по вызову, систем массового контроля и первичных приборов с унифицированным сигналом на выходе (электрическим или пневматическим), пригодным для многократного использования в системах контроля и регулирования, позволяет сократить общее число измерительных приборов, существенно уменьшить габариты щитов управления и, самое главное, разгрузить оператора от выполнения большого числа необходимых, но второстепенных операций.
Показывающие и регистрирующие измерительные приборы, 'ключи и переключатели управления, указатели положения регулирующих органов и другие техниче-3*	35
ские средства всех перечисленных выше подсистем размещаются на центральных щитах и пультах управления, которые устанавливаются в специально отведенных для них помещениях и обслуживаются оператором. При этом часть второстепенных технологических параметров контролируется с помощью приборов, установленных на так называемых местных щитах управления, расположенных вблизи действующих агрегатов (на рисунке не показаны). Непосредственное наблюдение за состоянием действующего оборудования и показаниями приборов на местных щитах управления, а при необходимости также ручное воздействие на ряд регулирующих или запорных органов возлагаются на дежурных обходчиков.
Описанная система, хотя и не содержит в своем составе вычислительного комплекса, является человеко-машинной системой, т. е. простейшим, но достаточно представительным и распространенным видом АСУ ТП.
б)	АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции
Системы этого вида (рис. 1.4) содержат же функциональные и аппаратурные элементы, присущие предыдущей системе Лй^отличаются от лее наличием вычислительного комплекса (ВК), который выполняет функции центпализованнои^онтроля^ вычисления комплексных технических и технико-экономических показателей, а также контроль работы и состояния оборудования.
Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию о состоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах. Характерной особенностью рассматриваемого вида системы является то, что задачи анализа поступающей информации, принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий как и в системах предыдущего вида, возлагаются на оператора.
Данные об объекте, полученные с помощью ВК. кроме вывода на централизованные средства отображения информации, могут либо передаваться в вышестоящую АСУ для дальнейшей обработки непосредственно, либо 36
выводиться для этой цели на внешние накопители (перфоленты, перфокарты и др.)•	.мо^,
жет быть__также изучение технологического процесса при различных условиях. В ^результате накапливается информация, позволяющая построить и (или) уточнить математическую, модель дабцесС^н которым нужно уп-
Управляеше
Рис. 1.4. АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим ин* формационно-вычислительные функции.
равлять. Ясно, что сбор данных не оказывает воздействия на процесс; однако даже после внедрения самых сложных «методов управления с использованием В К сбор данных для анализа и уточнения модели оказывается полезным *и почти всегда предусматривается как одна из задач вычислительной машины.
37
в)	АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме «советчика»
Структурная схема такой АСУ аналогична приведенной ранее на рис. 1.4. Кроме функций, выполняемых ВК в предыдущей системе, на него возлагают задачи анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций по управлению (советов) оператору-технологу. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остаются за оператором. Такая АСУ функционирует следующим образом. Через заданные промежутки времени (в зависимости от конкретных условий обычно 1 раз в 10—15 мин) полученные в ВК данные о состоянии объекта и комплексные технические и технико-экономические показатели анализируются с помощью математической модели управляемого процесса. Путем вычислений по модели определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимуму; результаты представляются оператору, который управляет процессом, изменяя уставки регуляторов или выполняя другие действия в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми ВК. Регуляторы в такой системе являются средствами не только стабилизации, но и программного изменения технологических параметров процесса, а оператор играет роль следящего и координирующего звена и вносит изменения по советам ВК, непрерывно помогающего оператору в его усилиях оптимизировать технологический процесс.
Число входных переменных параметров в системе, работающей в режиме советчика оператора, обычно находится в пределах от 10 до 100, но ВК может, если это экономически целесообразно, обрабатывать и большее число переменных. Число управляемых переменных сигналов задания контурам регулирования, для которых выполняются вычисления и выдаются новые значения уставок, сравнительно невелико, так как оператору самому приходится изменять эти задания. Пытаться подстраивать 100 уставок каждые 10 мин в принципе возможно, но, конечно, нецелесообразно. Если допустить, что оператор успеет считать новое рекомендуемое значение уставки, выставить его и проверить правильность выставленного значения за время, не превышающее 3—5 с, то следует учесть, что ему придется делать
38
все это по 10 раз в минуту. Неразумно предполагать, что работа в таком темпе может безошибочно выполняться всю рабочую смену. Таким образом, одним из серьезных недостатков рассматриваемого режима управления является наличие ограничений, связанных с участием в системе человека.
Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованию осторожного подхода к новым способам управления и потому все еще часто применяется в АСУ ТП. Применение ВК в режиме советчика обеспечивает также хорошие возможности для проверки новых моделей процесса; в качестве оператора при этом может выступать инженер-технолог, который обычно тонко чувствует процесс. Находясь в контуре управления, он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать не окончательно отлаженная программа ЭВМ. Кроме того, ВК в такой системе может следить за возникновением аварийных ситуаций, что позволяет оператору освободиться от выполнения этой утомительной работы, занимающей часто большую часть его времени. При этом ВК легко следит за значительно большим числом аварийных ситуаций, чем оператор. Если предположить, что программы, направляющие работу ВК, достаточно хорошо отражают заложенную в них стратегию, то такая ЭВМ способна эффективно помочь оператору в его поисках пути постепенной перестройки процесса для достижения оптимума.
г)	АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции центрального управляющего устройства (супервизорное управление)
Характерная особенность таких систем управления состоит в том, что в них ВК включается в замкнутый контур автоматического _.,удр.авлеш1я.лг вырабатывает управляющие ^воз^ейстаияи^п^ задании непосредственно на вход к системам автоматического регулирования (рис. 1.5). Этот режим работы ВК существенно отличается от режима советчика, при котором все изменения в управление вносит только оператор.* Основная задана супервизорного управления — автоматическое поддержание технологического процесса вблизи'оптимальной рабочей точки путем опе-
39
ративнаго ВПаЛ^ЙСТИИЯ ня МРГО В этом одно из главных преимуществ данного вида систем.
Работа вычислительного комплекса по сбору и переработке информации в системе супервизорного управления мало отличается от описанной выше для режима советчика оператора. Вычисления по определению
Управляемые
о СОСТОЯНИЙ
Рис. 1.5. АСУ ТП с вычислительным комплексом, осуществляющим супервизорное управление.
управляющих воздействий тоже аналогичны. Однако после выполнения расчетов по модели осуществляются совершенно различные действия. Если в предыдущем случае найденные новые значения уставок преобразовывались в форму, удобную для восприятия оператором, то здесь они преобразуются в сигналы, которые 40
можно использовать для_изменения задания и настроек регуляторов. Так, например, если регуляторы воспринимают сигналы в форме напряжения, то управляющие воздействия, вырабатываемые ВК, превращаются в напряжение соответствующего уровня и знака.
Поскольку в таких системах контур управления замкнут через ВК, то функции оператора сводятся к общему наблюдению за ходом процесса -^Вмешательство .чет ловека требуется лишь при возникновении каких-то ""редких, непредвиденных (например, аварийных) ситуаций. Остается также необходимость вносить коррективы в управление процессом при изменениях, _например, сырья или состава вырабатываемой продукции. Это ча-сто требует определения новых значений коэффициентов уравнений, описывающих технологический объект управления. Соответствующие расчеты могут выполняться внешней вычислительной машиной, способной решать задачи большой размерности, или вычислительным комплексом самой АСУ, если остается достаточное количество машинного времени после расчета управляющих воздействий. В последнем случае необходимо обеспечить разделение времени вычислительного комплекса АСУ между задачей управления процессом и дополнительными вычислениями по оптимизации процесса.
Если оптимизация выполняется сравнительно редко (например, 1 раз в сутки) или при изменении качества материалов или состава выпускаемой продукции, то должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется или оператором через клавиатуру, или путем считывания с перфокарт результатов расчетов оптимизации, выполненных внешней ЭВМ. В остальном АСУ способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени. При соответствующем программировании ВК такой системы может быть использован также для моделирования изменений в процессе до их осуществления.
Важное достоинство систем сулервизорного управления состоит в том, что в них ВК не только непрерывно контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной точки. Это, в частности, позволяет исключить флуктуаций, связанные с качеством работы равных операторов, почерк каждого из которых обязательно сказывается на регулировании уставок.
41
Поскольку вычисления выполняются с огромными скоростями, в модели процесса можно отразить значительно ббльшее количество переменных, в том числе и таких, учет которых прежде не мог быть практически осуществлен. Примером такой переменной является температура окружающего воздуха. Очевидно, что эта переменная очень важна в некоторых .процессах, но использовать ее в качестве входной величины каждого регулятора нецелесообразно. Однако в ВК эта температура легко вводится в качестве одной из переменных и может быть использована по любому назначению, в том числе для изменения уставок каждому регулятору.
д)	АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции непосредственного (прямого) цифрового управления
Основное различие систем управления, рассмотренных выше, состоит в принципах использования вычислительного комплекса. В системе, ВК которой выполняет роль советчика оператора, не осуществляется прямое управление процессом от ЭВМ: задания по управлению вводятся оператором. Супервизорное управление тоже еще не является прямым: уставки регуляторов задаются от ЭВМ, но команды на управляющие органы объекта поступают от регуляторов. В АСУ ТП..(рис. -L6), вычислительный комплекс которой: работает в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ), сигналы' йсп6льзуемые>ляГприведения в действие испол-йгГОМЫГ М^щшзмрвГ поступают непосредственно от вк.и^.с.оответствующие/регуляторы вообще исключаются из системы (илкпспользуются как резерв).
В принципе регуляторы тоже можно рассматривать как малые аналоговые или цифровые вычислительные устройства, которые при отклонении регулируемой величины от заданного значения рассчитывают и формируют управляющее воздействие на исполнительный механизм. Изменяя параметры настройки, а иногда и структуру, многие современные регуляторы можно приспособить для решения самых разнообразных задач управления отдельными участками технологического объекта. Однако более сложные задачи управления процессом в целом часто требуют для своего решения 42
организации взаимосогласованного действия многих отдельных регуляторов.
Концеппия Ш1У дозволяет заменить .совокупность регуляторов с задаваемыми им уставками на вычислительный комплекс-’ Вместо^ того, чтобы рассчитывать уставки,-требуемые для оптимальной работы, как при
Рис. 1.6. АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции непосредственного цифрового управления.
супервизорном управлении, ВК рассчитывает требуемые значения управляютихивоад£Й1ДВйДиии^^
сТвуюшие сигналы неп<х1шдсгд£нно^ца. ...исполнитель-Органов._Это делается
для каждого контура управления. Число контуров мо-
43
жет составлять от единиц до нескольких сотен в зависимости от типа процесса и мощности В К.
Для более глубокого понимания принципа действия АСУ ТП с ВК, работающим в режиме НЦУ, рассмотрим рис. 1.6, на котором показан один контур управления. Сигнал от датчика поступает в ВК, и после преобразования его в цифровую форму, понятную арифметическому устройству, вычисляется ошибка (отклонение регулируемой величины от ее заданного значения), которая используется в алгоритме управления данным контуром. Результаты вычислений получаются в цифровой форме и, в свою очередь, преобразуются выходным устройством в сигнал, воздействующий на исполнительный механизм регулирующего органа. Таким образом, контур управления контролируется и регулируется непосредственно ВК, который обращается к контурам по очереди с частотой, определяемой характеристиками процесса. Уставки для контуров вводятся в ВК оператором или внешним вычислительным комплексом, выполняющим расчеты по оптимизации процесса.
При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некб-терые~избрдНнНе ' переменные, “варьировать диапазоны, допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще иметь доступ к. управляющей программе, Для обеспечения всего этого необходимо иметь полное и функционально богатое сопряжение человека и машины (пульта оператора).
Одно из главных преимуществ применения АСУ ТП с ВК в режиме НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу. Однако такие изменения должны быть тщательно подготовлены, так как новая программа должна быть полностью проверена перед использованием ее для реального управления. Хотя это весьма серьезное требование, тем не менее гибкость системы в принципе ничем не ограничена. Некоторые внедряемые АСУ являются комбинацией систем НЦУ и супервизорного управления.
Управляющие воздействия, формируемые АСУ непрерывными технологическими процессами в автоматическом режиме, должны обеспечить поддержание заранее заданных значений технологических переменных или достижение таких их значений, которые будут вычис-44
лены как оптимальные. Если требуемые значения переменных задаются заранее, то АСУ ТП выполняет только функции регулирования. При построении схем регулирования в АСУ ТП применяют два принципа регулирования: по отклонению и .по возмущению. Регулирование по отклонению (рис. 1.7, а), т. е. с использованием принципа обратной связи, в супервизорном режиме, как указывалось ранее, производится аналоговыми регуляторами, которые получают уставку от ВК, а в режиме прямого цифрового управления — программным путем. При регулировании по возмущению модель объекта хранится в ВК, и по ней вычисляется
Возмущение
ОН-регулятор [—
давание
ЭВМ_\
1*1
Регулируемая величина
Управляющее Воздействие
Возмущение________
| Объект
Регулируемая —хвеличина
Объект
Управляющее Воздействие
Рис. 1.7. Пример непосредственного цифрового управления.
Качества регулирования

управляющее воздействие, компенсирующее действующее на объект возмущение. В современных АСУ сложными технологическими процессами чаще всего применяют комбинированное регулирование, учитывающее отклонения и возмущения (рис. 1.7, б). Применение ВК позволяет также удобно строить программным путем системы каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие взаимосвязи между отдельными участками объекта управления.
Прямое управление от ВК позволяет реализовать не только оптимизирующие функции, но и операции переключения исполнительных механизмов основного и
45
вспомогательного оборудования, необходимые в режимах пуска-останова.
Наиболее очевидный недостаток систем с НЦУ проявляется при ‘ отказе ВК. Несмотря на то, что надежность всех средств 'Системы может быть исключительно высокой, отказы В К тем не менее возможны, что в системе с НЦУ может привести к полной потере управляемости объекта. Поэтому при организации любой системы НЦУ необходимо учитывать это обстоятельство.
е)	Другие разновидности АСУ ТП
Четких границ между рассмотренными разновидностями АСУ провести нельзя; каждая из них обладает отдельными признаками, присущими другим АСУ. На разных уровнях управления эти черты встречаются в разных модификациях или вовсе отсутствуют. Однако при планировании, проведении и обобщении разработок АСУ ТП, конечно, желательно располагать четкой и обоснованной классификацией АСУ ТП, т. е. правилами разбиения всего множества этих систем на такие подмножества, в пределах которых все входящие в них АСУ ТП близки, похожи в том или ином отношении.
К сожалению, общепринятой классификации АСУ ТП не существует. Тем не менее при выборе систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУ ТП целесообразно учитывать следующие условные признаки их разбиения:
уровень, занимаемый системой в организационнопроизводственной иерархии;
характер протекания управляемого технологического процесса во времени;
показатель условной «информационной мощности» объекта управления;
степень функциональной развитости АСУ.
По уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии, различают АСУ ТП нижнего (первого) и верхнего (второго) уровней, а также многоуровневые системы. К системам нижнего (первого) уровня относят АСУ ТП, управляющие агрегатами, установками, участками производства и не имеющие в своем составе других АСУ ТП. К АСУ ТП второго уровня относят автоматизированные системы, управляющие группами установок, цехами, производствами, 46
в которых отдельные участки (агрегаты, установки) оснащены своими системами управления, в том числе, возможно, АСУ ТП первого уровня, причем оперативный .персонал последних подчинен персоналу АСУ ТП второго уровня. Заметим, что АСУ с двухуровневой организационной структурой, объединяющие в своем составе АСУ ТП первого и второго уровней и реализующие согласованное управление как отдельными технологическими установками, так и их совокупностью (цехом, производством), можно считать интегрированными АСУ ТП.
По характеру протекания во времени управляемые технологические процессы можно разделить по меньшей мере на три группы: дискретные, непрерывные и непрерывно-дискретные, различающиеся по относительному времени пребывания их в неустановившемся (переходном) и установившемся состояниях.
Дискретный характер имеет, например, большинство процессов в машиностроении и приборостроении. Их характерным признаком является большое число изделий и деталей (сотни и тысячи), информация о которых формируется в большинстве случаев вручную с помощью документов (накладных, нарядов) или различных устройств ручного ввода информации, а также может вводиться от автоматических датчиков; управляющие воздействия обычно передаются оперативно-производственному персоналу в виде графиков запуска-выпуска деталей, узлов, изделий, а также в виде команд и распоряжений.
К производствам, имеющим непрерывный характер технологических процессов, относятся добыча и транспортировка нефти и газа, выработка и распределение энергии, производство химических и нефтехимических продуктов и т. п. Для производств непрерывного типа характерно получение информации о ходе процесса главным образом, с помощью автоматических датчиков с непрерывным или дискретным выходным сигналом; управление технологическими процессами производится путем воздействия на различные виды исполнительных механизмов (клапаны, задвижки и т. п.).
К процессам непрерывно-дискретного типа относят, например, многие процессы в металлургической, электронной, цементной и других отраслях промышленности, в которых они характеризуются наличием циклов и со
47
четанием особенностей дискретного и непрерывного процессов.
Условную информационную мощность технологического объекта управления и его АСУ ТП чаще всего характеризуют числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых данной системой. В зависимости от значения этого показателя все технологические объекты управления (ТОУ) и АСУ ТП подразделяются на классы в соответствии с табл. 1.1.
Таблица 1.1
Условная информационная мощность АСУ ТП
Малая Пониженная Средняя Повышенная Большая
Число измеряемых или контролируемых технологических переменных	
минимальное	максимальное
		40
41	160
161	650
651	2500
2501	Не ограничено
Степень функциональной развитости АСУ ТП можно характеризовать двумя наиболее сложными функциями, реализуемыми в данной системе с помощью средств автоматической переработки информации, причем одна из этих функций должна относиться к информационным, а другая к управляющим. Например, по степени развитости информационных функций можно различать: параллельные контроль и измерение параметров состояния ТОУ (на приборном щите);
централизованный контроль и измерение параметров состояния ТОУ (с обеганием или по вызову);
косвенное измерение (вычисление) отдельных комплексных показателей технологического процесса по его модели;
вычисление технико-экономических показателей функционирования ТОУ;
анализ и обобщенная оценка состояния процесса в целом по его модели (распознавание ситуаций, диагностика аварийных, поиск «узкого места», прогноз хода процесса).
По степени развитости управляющих функций различают следующие их группы: одноконтурное автоматическое регулирование;
48
каскадное и (или) программное автоматическое регулирование;
многосвязное автоматическое регулирование;
оптимальное управление установившимися режимами (в статике);
согласование (координация) подсистем (в том числе распределение ресурсов);
оптимальное управление переходными процессами (оптимизация в динамике);
оптимальное управление с адаптацией (самообучением и изменением алгоритмов и параметров системы).
Естественно, есть еще неограниченное множество особенностей, присущих АСУ технологическими процессами.
Степень важности каждой из этих особенностей, мера ее общности и различия, свойственная реально встречающимся АСУ ТП, и необходимость учета данной особенности в процессе разработки и (или) эксплуатации системы выявляются в процессе автоматизации и исследования различных технологических объектов управления.
Глава вторая
СОСТАВ АСУ ТП
2.1.	ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ГСеЦ
бираются так, чтобы система соответствовала общим теХтачесй^^	и ча-~
стйым"*' требованиям, соп^ржяштамся в Техническом заЩ1ЩИ-и1ад.££-.хоздави€.-
~ АСУ ТП должна:
управлять технологическим объектом в соответствии с принятым критерием функционирования;
выполнять все возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью управления;
обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия;
отвечать эргономическим требованиям, предъявляемым к способам, форме представления информации оператору, размещению технических средств и т. д.;
4—1341	49
быть приспособлена к взаимосвязанному функцией-пированию с системами управления смежных уровней иерархии и другими АСУ ТП, т. е. обладать свойством технической и информационной совместимости;
допускать возможность дальнейшей модернизации и развития.
Кроме того, к конкретной АСУ ТП по согласованию разработчика и заказчика предъявляются и другие необходимые требования.
Принято считать, что. в состав любой АСУ ТП входят следующие основные крупные компоненты (части сПСТёмы}: оперативный персонал, информационное, организационное, программное и техническое обеспечения. Огметйм~также, что разработка программного обеспечения проводится на основе математического обеспечения, которое в состав АСУ ТП не входит. Упрощенная схема взаимодействия этих основных компонентов •системы показана на рис. 2.1. Рассмотрим ее подробнее.
Как отмечалось ранее, процесс функционирования АСУ ТП (как и любой другой системы управления) по •существу является процессом , целенаправленного преобразования входной информации в выходную. В АСУ ТП это преобразование выполняется совместно двумя •компонентами: оперативным персоналом и техническим •обеспечением (комплексом технических средств); именно они собирают” входную' ‘ информаций) от объекта и других внешних источников, обрабатывают и анализируют ее, а затем принимают решения по управлению и реализуют их, формируя соответствующие управляющие воздействия на объект и посылая другие сигналы, несущие выходную информацию как своеобразную продукцию системы. Поэтому оперативный персонал и технические средства можно считать главными компонентами АСУ ТП, полностью определяющими ее человеко-машинный характер.
Чтобы и люди, и комплекс технических средств (КТС) могли функционировать правильно, в соответ-«ствии с.принятыми критериями, необходимо обеспечить их соответствующими правилами и инструкциями. Для оперативного персонала эту задачу выполняют документы организационного обеспечения АСУ ТП, а для основной части КТС (цифровой ЭВМ) — программное обеспечение, т. е. совокупность ее программ как машин-50
но-читаемых алгоритмов (остальные части КТС реализуют свои алгоритмы аппаратным способом, т. е. самой конструкцией, и потому в дополнительных инструкциях не нуждаются).
Между указанными компонентами АСУ ТП в процессе ее функционирования существует интенсивное взаимодействие (рис. 2.1): организационное и программное обеспечения определяют поведение оперативного
Рис. 2.1. Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов» АСУ ТП.
персонала и ЭВМ соответственно; кроме того, персонал активно взаимодействует с техническим обеспечением и при необходимости корректирует программное-обеспечение. Все эти взацмодействия._Д1ПШ>хих11С1£МЫ, а также ее взаимодействие с внешней „средой. .ЛОСЯХ в осаойвом И 'преждё всего'. ицфедлддаоцни&^хададади--так как сводятся к передаче и приему информации в ви-
. де РаздйчнЫк сигналов"данных, сообщений^^текстов.
т- . д- ТакнД - ийф, анионный обмен требует наличия определенных соглашений о принятых формах .и воз-
• можиыа зйач_ёйпЯ5'“{ёбдёржанйи) смысле) тех или иных 4*	’	"	st
информационных элементов. Совокупность этих соглашений^ т. е. множество принятых форм массивов данных документов, перечней и шкал используемых1 сигналов, кодов и правил их расшифровки, образует еще один условно выделяемый основной компонент АСУ ТП, называемый ее ииффмашашинм обеспечением. Важная роль этого компонента состоит в том, что именно через него (рис. 2.1), а точнее — с его помощью осуществляются все процессы обмена информацией как внутри АСУ ТП, так и с внешней средой.
Техническое, информационное, и программное (а также математическое) обеспечения АСУ ТП подробно освещаются в следующих параграфах. Здесь дадим дополнительные краткие пояснения к понятиям «оперативный персонал» и «организационное обеспечение АСУ ТП».
О п ер а ти ВН-Ы..Й-л е р со н а л АСУ ТП состоит из технологов-операторов (диспетчеров), осуществляющих контроль и управление объектом, и эксплуатационного персонала, обеспечивающего правильность функционирования всех технических и программных, средств системы. При современной степени автоматизации многих (особенно непрерывных) технологических процессов численность операторов (диспетчеров) бывает небольшой (один-два человека). Однако при разработке и эксплуатаций АСУ ТП следует иметь в виду, что в состав оперативного .персонала, кроме операторов (диспетчеров), входит также эксплуатационный персонал, который призван своевременно выполнять все работы по обслуживанию и оперативному восстановлению данной системы (ремонтный персонал в состав оперативного включать не принято). Основные функции оперативного персонала и его центральная роль в АСУ ТП будут рассмотрены далее, в гл. 3.
Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы. Элементами такой структуры являются" отдельные должностные лица — производственные или административные работники, осуществляющие в той или иной мере управление данным технологическим объектом, или их группы, сформированные по какому-либо содержательному признаку. Основные связи между элементами организационной структуры 52
соответствуют отношениям оперативной соподчиненно-сти указанных работников, существенным для процесса управления. При необходимостп_ на схеме организационной структуры отображают также территориальное размещение оперативного пе^ГОНаха^АСУ_ТП и его ' взаимодействие с персоналом других систем и (или)
уровней управления.
Организационное обеспечение АСУ ТП представляет собой совокупность. до,кумен!<Ж._.У£ТАнав; ливающих порядок и правила функционирования опера-тй'внЬгЬ персон ал а д анной системы. Сюда входят технологические инструкции и регламенты, определяющие ведение .процесса, инструкция по эксплуатации системы, описания ее функциональной, организационной и технической структур, а при необходимости другие документы аналогичного содержания. Роль организационного обеспечения в современных АСУ ТП часто недооценивается, между тем она очень важна: по существу организационное обеспечение регламентирует всю деятельность человека в системе, от простейших операций по ее текущему обслуживанию до самых сложных и ответственных действий, например, по оптимизации процесса «ли по выявлению и ликвидации предаварийных состояний. Поэтому необходимо, чтобы в организационном обеспечении четкие, строгие правила и предписания, подлежащие неукоснительному выполнению, сочетались с положениями, не только оставляющими определенную степень свободы в деятельности человека, но даже стимулирующими его творческие возможности для дальнейшего совершенствования процесса управления. С этой целью при разработке ряда документов организационного обеспечения следует учитывать принятый на данном предприятии порядок социалистического соревнования, премирования и экономического стимулирования. Остальные общие требования к организационному обеспечению АСУ ТП достаточно просты:
организационное обеспечение должно содержать совокупность правил и предписаний, регламентирующих взаимодействие оперативного персонала с комплексом технических средств и между собой во время работы системы;
в документах организационного обеспечения должны быть приведены все необходимые сведения о поряд-
53
ке эксплуатации системы, в том числе о мерах по поддержанию ее точности и надежности;
инструкции по эксплуатации АСУ ТП должны содержать указания о действиях оперативного персонала в нормальных, предаварийных и аварийных ситуациях.
2.2.	ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Как отмечалось ранее, под техническим обеспечением АСУ ТП принято понимать комплекс технических средств, предназначенных для функционирования АСУ ТП. По своим возможностям КТС конкретной АСУ ТП должен быть достаточным для выполнения всех возложенных на него функций системы. В его состав обычно входят средства получения, преобразования, передачи и отображения информации, управляющие, вычислительные и исполнительные устройства. Таким образом» техническое обеспечение АСУ ТП включает в себя полный набор средств автоматизации и вычислительной техники, используемых в системе. В состав технического обеспечения АСУ ТП должны также входить приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности комплекса технических средств АСУ ТП, и запасные приборы. Технические характеристики используемых средств АСУ ТП должны допускать взаимозаменяемость одноименных технических средств, быть выбраны с учетом воздействий окружающей среды и обеспечивать безопасную эксплуатацию системы.
Технические средства, наиболее характерные для АСУ ТП, и их территориальное размещение приведены в качестве примера на рис. 2.2.
Непосредственно на объекте управления устанавливаются:
первичные измерительные преобразователи (датчики), воспринимающие значения параметров процесса (давление, расход газов или жидкостей, температуру, электрическую мощностью, уровень жидкости и т. д.);
сигнальные двухпозиционные устройства, дающие информацию о включении или выключении того или иного оборудования;
исполнительные двухпозиционные или регулирующие органы, осуществляющие управляющие воздействия путем открытия вентилей и заслонок, изменения часто-54
ты вращения двигателей, режима работы насосов и т. п.
В непосредственной близости от технологических объектов устанавливаются местные щиты управления, на которых монтируются регуляторы 1, вторичные измерительные приборы показывающие 2 и самопишущие 3, а также другие устройства и узлы локальной автоматики 4. Иногда местные щиты не являются постоянным рабочим местом персонала, ими пользуются обходчики,
Рис. 2.2. Характерный пример технического обеспечения АСУ ТП.
сменные мастера по мере надобности. Оператор, ведущий технологический процесс всего объекта управления, постоянно находится в центральном пункте управ-- ления (см. § 3.3), который оборудован щитами, пультами, а также электрифицированной печатающей машинкой 15 для регистрации параметров по вызову оператора и кроссовым шкафом 16.
На пульте установлены аналоговые измерительные приборы (показывающие 5, самопишущие б), цифро
55
вые 7, показывающие по вызову оператора адрес (номер) и значение индицируемого параметра, индикаторы на электронно-лучевых трубках 8 для представления оператору буквенно-символьной и графической информации (дисплеи), сигнальные табло 9, сообщающие оператору те или иные рекомендации по ведению управляемого процесса.
Кроме того, часто имеется мнемоническая схема 10, соответствующая технологическому процессу и дающая оперативную информацию о состоянии объекта в любой момент времени (какие именно агрегаты включены, какие заслонки перекрыты и т. д.); на мнемосхеме автоматически индицируется отклонение того или иного параметра от нормы.
На пульте оператора также устанавливаются:
дистанционные задатчики И, позволяющие оператору изменять уставки регуляторов, смонтированных на местных щитах;
клавиатура 12 для вызова показаний на цифровые приборы 7;
средства цеховой связи 13 (телефонный коммутатор или селектор, громкоговорящая связь и т. п.);
ключи дистанционного управления 14, позволяющие оператору производить на объекте те или иные переключения.
На центральном пункте размещается ЭВМ — вычислительный комплекс АСУ ТП (см. § 3.2). В его состав входят:
устройства информационной подсистемы 17 (коммутаторы сигналов, аналого-цифровые преобразователи, устройство выработки отклонений параметров, превышающих допустимые значения, устройство памяти .предельных значений параметров, устройство масштабирования для преобразования относительных показаний датчиков в абсолютные, устройство опроса состояний сигнальных двухпозиционных органов и др.);
устройства управляющей подсистемы 18 [арифметическое устройство, оперативное запоминающее устройство, внешнее запоминающее устройство на магнитных дисках или лентах, устройство мультиплексной (селекторной) связи с другими устройствами вычислительного комплекса, цифро-аналоговый преобразователь, устройства кодового управления исполнительными механизмами или органами сигнализации на щите опера
56
тора, устройство аналогового управления регуляторами и регулирующими органами и др.];
инженерный пульт (пульт программиста) 19— рабочее место оператора ЭВМ;
электрическая печатающая машинка 20, аналогичная машинке 15 в операторском пункте, но предназначенная для периодической печати (например, учетных показателей за смену);
считыватель с перфоленты 21 для ввода программ и постоянной информации в память машины;
ленточный перфоратор 22 для перфорации на бумажной ленте промежуточных результатов расчетов.
Совокупность всех технических средств АСУ ТП, указанных в виде конструктивно самостоятельных приборов, узлов, устройств, принято представлять в виде технической структуры АСУ ТП, которая отражает основные самостоятельные части комплекса технических средств, используемых в системе; связи между этими элементами символизируют реальные физические линии (электрические провода, кабели, пневмопроводы и т. п.), соединяющие отдельные средства автоматизации в совместно функционирующий комплекс.
Полная техническая структура АСУ ТП должна отражать все основные средства, необходимые для выполнения функций системы. Однако на практике основное внимание уделяется центральной части комплекса средств, охватывающей те информационные, вычислительные и управляющие устройства, с помощью которых производятся централизованная переработка информации (включая управление) и ее представление персоналу. Эта часть характеризует техническую структуру информационно-вычислительной или информацион-но-управляющей подсистемы АСУ ТП. Техническая структура АСУ представляется в виде структурной схемы, сопровождаемой пояснительным текстом.
Пример укрупненной схемы технической структуры АСУ химическим производством, состоящим из нескольких цехов, показан на рис. 2.3. Информация от объекта управления поступает через устройство телемеханики из нескольких (до 25) контролируемых пунктов (КП), установленных в цехах и связанных с пунктом управления (ПУ) Двухпроводной связью. Аппаратура ПУ свя зана с вычислительным комплексом и имеет выходы
57
Рис. 2.3. Пример технической структуры АСУ химическим производством.
на следующие устройства: пульт диспетчера, щит сигнализации, щит регистрирующих приборов и аппаратуру алфавитно-цифровой печати. Вычислительный комплекс имеет выход на щит регистрирующих приборов, станцию индикации данных (дисплей) и пульт диспетчера.
Функциональная (см. § 1.2) и техническая структуры АСУ ТП не являются тождественными и представляют различные аспекты одной и той же системы. Так, схема функциональной структуры отражает состав и порядок выполнения функций системы управления технологическим процессом. В схеме технической структуры условно изображаются средства, с помощью которых реализуются эти функции.
2.3.	МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В соответствии с терминологическими стандартами под математическим обеспечением АСУ ТП понимается совокупность математических методов, мо-58
делей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании таких систем. По мере развития применения вычислительной техники в АСУ ТП их математическое обеспечение вместе с построенным на его основе программным обеспечением приобретает все большее значение и становится соизмеримым, а иногда и превышает по стоимости комплекс используемых технических средств. Образно говоря, математическое обеспечение — это «идеологическое содержание» АСУ или так называемый мягкий товар (в отличие от так называемого твердого товара, которым именуют технические средства системы управления).
Как отмечалось ранее, управление объектом включает в себя комплекс операций, необходимым для формирования соответствующих целенаправленных воздействий на управляемый объект, а именно операции контроля (получение информации), анализа (выработка и принятие решений) и исполнения (реализация управляющих воздействий). Операции получения информации и реализации управляющих воздействий в большинстве случаев выполняются в АСУ ТП автоматически, с помощью средств технического обеспечения, рассмотренных ранее. Что же касается операций выработки и принятия решений по управлению, то, как правило, прежде чем выбрать способ их реализации, необходимо найти оптимальный (или хотя бы рациональный) алгоритм их выполнения. Для этого каждую задачу управления надо сформулировать математически.
Математическая формулировка любой задачи оптимального управления включает в себя два элемента: математическую модель объекта и критерий управления. Под математической моделью понимают систему математических соотношений, описывающих поведение объекта управления и те условия (возмущения, ограничения и т. д.), в которых он работает. Для представления модели в аналитической форме необходимо знать физическую природу управляемого объекта, его структуру и конструктивные особенности. Модель всегда в той или иной степени приближенна и может не учитывать ряда тонких явлений, происходящих в объекте, н в то же время может с успехом использоваться для определения управляющих воздействий при различных совокупностях значений параметров объекта. Это можно сделать как в темпе с ходом процесса, так и в режи
59
ме опережающего анализа, поскольку большое быстродействие современных вычислительных машин позволяет произвести соответствующие опережающие расчеты.
Если характеристики управляемого объекта подвержены изменениям, то соответствие модели объекту должно непрерывно .проверяться и уточняться на основе информации о состоянии объекта. Модель закладывается в вычислительную машину (т. е. хранится в ее запоминающем устройстве в виде программы). Пользуясь моделью, можно испробовать различные управляющие воздействия, получить и зафиксировать реакции модели на эти воздействия, а затем выбрать те из них, которые в наибольшей степени удовлетворяют оптимальному критерию.
Вычислительные комплексы, входящие в АСУ, накапливают информацию об управляемом процессе в виде совокупности значений измеряемых параметров, сведений о состоянии оборудования и другую и перерабатывают ее для выработки управляющих воздействий. Переработка информации в ВК осуществляется по алгоритмам, которые отражают технологическую инструкцию ведения процесса. В инструкции говорится о том, каким образом, располагая информацией о процессе, полученной на основе измерений, и зная все ограничения, накладываемые на процесс, выбирать целесообразные управляющие воздействия в различных производственных ситуациях. Каждый алгоритм, выполняемый ВК, примерно соответствует тем рассуждениям и вычислениям, которые должен был бы произвести сам оператор при отсутствии вычислительной машины. Такой алгоритм-инструкция, выраженный на формальном языке математических формул и логических условий, определяет последовательность действий, каждое из которых соответствует выполнению вычислительной машиной (или другими техническими средствами) определенной элементарной операции. Такими операциями являются сложение, вычитание, логическое сложение, умножение и др.
Последовательность действий не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Этот метод иногда может быть первоначально задан в виде математической формулы, иногда в словесной (описательной) форме, иногда в виде цепочки логических условий. Во всех случаях он должен быть сформулирован 60
настолько точно и четко, чтобы не оставалось места для различных толкований и двусмысленностей, чтобы всегда после конечного числа элементарных операций был получен определенный численный или логический (дискретный) результат. Если эти условия выполняются, то инструкция по решению задачи, выраженная на формальном языке математических формул и логических условий, называется алгоритмом решения данной задачи.
Применительно к АСУ говорят об алгоритмах управления. Алгоритм управления — это тоже формальная инструкция, в которой говорится о том, как надо обработать информацию об управляемом процессе, чтобы получить целесообразные управляющие воздействия. Алгоритм управления, отражающий общую цель системы управления, довольно сложен и может быть расчленен на большое число подалгоритмов, соответствующих отдельным задачам (функциям) системы управления. Эти подалгоритмы связаны между собой так, что в определенных производственных ситуациях «работают» отдельные звенья общего алгоритма. Таким образом, множество отдельных алгоритмов функционирует не в фиксированной последовательности (один за другим) и не хаотически, а выстраивается в различные цепочки в зависимости от изменяющейся производственной ситуации.
Поясним это следующим примером. Пусть одним из элементов технологической схемы объекта (рис. 2.4) является теплообменник, в котором нагревается вода, а теплоносителем служит водяной пар. Необходимо стабилизировать, т. е. поддерживать на заданном значении температуру Т воды на выходе из теплообменника.
Без применения ЭВМ такое регулирование может быть выполнено стандартным регулятором, у которого температура Т является регулируемым параметром, а управляющее воздействие подается на исполнительный механизм (регулирующий клапан) К1, изменяющий расход теплоносителя. Так как теплообменник является достаточно инерционным объектом, подверженным влиянию резких возмущений по расходу воды, то обычно для достижения достаточно высокого качества регулированйя температуры Т приходится использовать многоконтурную схему регулирования.
61
В качестве примера рассмотрим, как для решения такой задачи можно попользовать ЭВМ. Пример функциональной схемы задачи Р1 — «Регулирование температуры воды на выходе из теплообменника» — показан также на рис. 2.4. На объекте устанавливаются датчики, позволяющие измерять температуру воды Т на вы-
Рис. 2.4. Функциональная схема задачи «Регулирование температуры воды на выходе из теплообменника».
коде из теплообменника, температуру воды Т1 на входе в теплообменник, расход Q/ воды в теплообменнике, расход Q2 греющего пара и температуру Т2 греющего пара, а также исполнительный механизм Л7, регулирующий расход пара.
Функционально задача делится на три взаимосвязанные части. Первая часть (Ф1) соответствует регулированию (стабилизации) расхода (Q2) греющего пара по ПИД-закону. Вторая часть (Ф2) представляет «2
собой математическую модель теплообменника, пользуясь которой можно так изменять уставку регулятора Ф1, чтобы оптимальным был критерий качества регулирования температуры Т. Третья часть задачи (ФЗ) включает в себя все те действия, которые позволяют оператору-технологу в интересующие его моменты
Яодалгоритм д
Подалгорити Б
времени визуально контролировать значения параметров данного участка объекта и соответствующих управляющих воздействий. Это осуществляется с помощью дисплея.
Показанная на рис. 2.4 функциональная схема позволяет понять замысел решения задачи, т. е. подход к решению. Следующим шагом в детализации его разработки является построение укрупненной блок-схемы алгоритма (рис. 2.5). Алгоритм расчленен здесь на два подалгоритма. Подалгоритм А реализует ту часть решения задали, которая должна выполняться в непрерывном автоматическом режиме, т. е. действия, связанные с регулированием. Подалгоритм Б выполняется 63-
Рис. 2.6. Блок-схема алгоритма А-3.
только по запросу операто-р а-технолога. Естественно, что оба подалгоритма взаимосвязаны по использованию общих данных.
Алгоритмическая структура рассмотренной задачи может быть изображена с различной степенью детализации, Обычно каждому блоку укрупненной схемы соответствуют более детальные блок-схемы. В качестве примера на рис. 2.6 показана блок-схема алгоритма одного из блоков укрупненной схемы — блока «Расчет уставки». При дальнейшей детализации алгоритм а р азр аб атыв ается подробное описание каждого блока. Оно включает в себя математические формулы, логические условия их взаимосвязей и временные характеристики исполнения отдельных блоков.
Совокупность материалов, отражающих алгоритм решения задачи, имеет две направленности. Во-первых, она фиксирует идейные аспекты: замысел и метод ре-
шения задачи и, во-вторых, служит заданием на следующий этап детализации алгоритма — этап преобразования принятой совокупности идей в комплекс взаимодействующих программ ЭВМ.
2.4.	ПРОГРАММНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Программное и информационное обеспечение входит в состав каждой АСУ ТП с цифровым вычислительным комплексом. При этом, если математическое обеспечение АСУ ТП фиксирует идейные аспекты организации 64
управления, то программное и информационное обеспечение 'представляет собой конкретную реализацию комплекса машинных алгоритмов функционирования системы управления. Программное обеспечение охватывает коуг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ ЭВМ, а информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта управления как в виде данных в ЭВМ, так и в виде документов, графиков, сигналов для их представления специалистам, участвующим в управлении технологическим процессом.
Выделение информационного обеспечения АСУ ТП в виде самостоятельного компонента разработки и эксплуатации системы произошло лишь в последние годы, и четкую грань между .программным и информационным обеспечением в настоящее время провести трудно. В значительной части технической литературы по АСУ термин «программное обеспечение» применяют в широком смысле, включая в него и понятие «информационное обеспечение». В таком же смысле используется термин «программное обеспечение» и в дальнейшем.
а) Понятие о программном обеспечении
Напомним, что под программой принято понимать алгоритм, представленный в форме, воспринимаемой вычислительной машиной. В свою очередь понятие «алгоритм», как указывалось ранее, можно охарактеризовать как точное предписание, определяющее процесс вычислений и ведущее от варьируемых исходных данных к искомому результату.
Программное обеспечение АСУ ТП можно описывать с разной степенью подробности в зависимости от того, для кого предназначено такое описание. В большинстве учебников по программному обеспечению и монографий, а также в документации, поставляемой с ЭВМ, содержатся очень подробные данные о работе аппаратуры и выполнении программ. Эта степень подробности позволяет квалифицированным специалистам с помощью контрольно-измерительных приборов или специальных тестовых программ выявлять и устранять неисправности.
5—1341	65
Однако для большинства специалистов, не являющихся ни программистами, ни специалистами в области электроники, нет необходимости в столь детальных сведениях. Для них достаточно иметь представление о
работе аппаратуры и выполнении программ на так называемом логическом уровне. Это значит, что при логическом представлении специалист оперирует не физическим описанием явлений, а их логическими аналогами.
Обычно при описании принципиальной схемы и функционирования ЭВМ (см. § 3.2) выделяют различные блоки аппаратуры и программное обеспечение. Однако для логического представления ЭВМ это деление не конструктивно, так как в разных моделях ЭВМ одни и  те же функции могут быть
Устройство исполнения программ
Рис. 2.7. Укрупненная функциональная схема ЭВМ.
реализованы или в виде схемных (аппаратурных) узлов, или в виде программ.
На логическом уровне в схеме ЭВМ (рис. 2.7) целесообразно выделить три части: устройство исполнения программ, программы и данные.
Назначение любой ЭВМ сводится к преобразованию данных. Если назначением
токарного станка является преобразование формы детали,, а трансформатора — преобразование напряжения электрического тока, то роль ЭВМ состоит в преобразовании данных. Более подробно о понятии «данные» будет сказано далее, а здесь только отметим, что характерными примерами данных могут служить числа или тексты.
Та часть ЭВМ, которая условно отнесена к программам, содержит (хранит) наборы команд, описывающих последовательность действий над данными для достижения некоторой цели. Другими словами, программа — это последовательность команд, которые необходимо выполнить для реализации заданного алгоритма обработки данных.
Если программа реализует некоторую функцию АСУ ТП, то такую программу называют функциональной. Простейшим примером такой программы может служить программа, состоящая из двух команд:
(5$
i. feвести сигнал от датчика, измеряющего температуру-
2. Вывести значение полученной температуры на цифровой индикатор.
Более сложным примером может служить программа сигнализации нарушений технологического регламента.
Устройство исполнения программ последовательно выполняет одну команду программы за другой. Эти команды «заставляют» вводить данные с устройств ввода (с печатающей машинки, клавиатуры, дисплея, аналоговых датчиков параметров технологических процессов), вести заданное преобразование данных и осуществлять их вывод на разнообразные устройства (символьной регистрации, аналоговые регистраторы, исполнительные механизмы, дисплей и т. д.).
Для описания последовательности команд используются специальные языки, называемые языками программирования. В некоторых из них (АССЕМБЛЕР, АЛМО) программист должен описывать очень подробно последовательность обработки данных. Например, на языке АССЕМБЛЕР для получения суммы двух чисел А и В необходимо составить программу в следующем виде:
1.	Выделить память в ОЗУ для А.
2.	Выделить память в ОЗУ для В.
3.	Выделить память в ОЗУ для X.
4.	Поместить в регистр содержимое А.
5.	Сложить содержимое регистра с содержимым В.
6.	Послать результат в X.
На других языках (ФОРТРАН, АЛГОЛ) возможно более укрупненное описание, и для приведенного выше примера программа выглядит так:
Х=А + В.
Свойства программ, о которых будет рассказано далее, присущи всем программам АСУ ТП независимо от того, на каких языках они написаны.
Первой важной чертой функциональных программ АСУ ТП является то, что для каждой программы существует регламент ее исполнения. Он может включать один или несколько из указанных ниже режимов исполнения программы:
1.	Периодическое включение программы через временной интервал Т.
2.	Включение программы в заданное время суток.
3.	Включение программы по требованию другой программы.
4.	Включение программы по требованию оператора.
Примером периодически выполняемой программы может служить программа, реализующая регулирование технологического параметра по стандартному закону (например, ПИД-регулирование). Периодичность включения такой программы может составлять секунды или минуты.
В заданное время суток, например в 00 ч 00 мин, включается программа, рассчитывающая технико-экономические показатели работы цеха (установки) за прошедшие сутки.
По требованию оператора включаются, например, программы, осуществляющие пуск (или останов) агрегата и др.
Второй характерной чертой программ АСУ ТП является их массовость, многочисленность. В работе системы могут участвовать до ста отдельных программ и более. Так как включение в работу каждой программы должно осуществляться по своему регламенту, могут встречаться ситуации, когда одновременно несколько программ будут требовать своего исполнения. Аппаратурные возможности современных ЭВМ этого не позволяют; поэтому устройство исполнения программ должно уметь последовательно выполнить все программы, ожидающие своего исполнения, причем в соответствии с важностью (приоритетом) программ в первую очередь оно должно исполнять те программы, которые в данный момент главнее.
Третьей особенностью программ АСУ ТП является то, что для их хранения обычно используется несколько видов памяти: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), магнитные диски, магнитные ленты, перфоленты. Их отличие заключается в том, что устройство исполнения программ затрачивает существенно разное время на исполнение программ, хранящихся в запоминающихся устройствах разных видов. Как правило, при исполнении программы, хранящейся на перфоленте, это время возрастает по сравнению с временем исполнения программы, хранящейся в ПЗУ.
68
б) Состав программного обеспечения АСУ ТП Понятие «программное обеспечение (ПО) АСУ ТП»
охватывает совокупность всех программных средств, участвующих в функционировании АСУ ТП. Специалистам по программному обеспечению известны большое число элементов ПО и сложная логическая схема
их взаимодействия. Однако укрупненная схема ПО АСУ ТП (рис. 2.8) выглядит достаточно просто и базируется на тех понятиях, которые были введены выше. Естественно, что основными элементами этой схемы являются
программы и данные. Как было отмечено ранее, на устройство исполнения программ, кроме собственно выполнения команд, возлагаются, во-первых, задачи, связанные с исполнением большого числа программ по разнообразным регламентам, и, во-вторых, функции подготовки данных к обработке. Указанные функции в большинстве современных систем реализованы программно (а не аппаратурно) и представляют собой часть программного обеспечения АСУ ТП. Одну часть этого программного обеспечения можно назвать «Управление программами», а вторую — «Управление данными». В документации на программное обеспечение ЭВМ понятию «Управление про-
Рис. 2.8. Укрупненная схема программного обеспечения АСУ ТП.
граммами» соответствует
термин «Операционная система» (ОС). Функции реальных операционных систем значительно шире, чем собственно управление программами. Однако остальные возможности ОС ориентированы на квалифицированных программистов и для понимания функционирования ЭВМ в АСУ ТП ничего не добавляют.
Основные режимы взаимодействия ОС с программами показаны на рис. 2.9. На рисунке условно показано,
69
Ц+о инициировать (включать) и работу программу А может только ОС. Она же узнает о завершении ее выполнения. Причинами для включения программы могут быть наступление заданного момента времени (например, 14 ч 16 мин), окончание заданного интервала (периода) длительностью Т, поступление требования оператора.
Так как операционная система управляет исполнением всей совокупности программ, то взаимодействия программ- между собой осуществляются только через посредника — операционную систему. Поэтому на рис. 2.9 показаны две возможности в© время выполнения одной
Рис. 2.9. Взаимодействие программ с операционной системой и между собой.
программы вызвать (включить) другую. В первом случае операционная система, получив во время выполнения программы Б вызов программы В, исполнит ее и лишь затем продолжит выполнение программы Б. Например, если программа Б описывает последовательность действий по пуску технологического агрегата, а программа В осуществляет пуск одного из аппаратов, то необходимо именно такое взаимодействие программ. Во втором случае после поступления вызова программы Д продолжается выполнение программы Г. Например, если программа Г обнаружила не очень опасное отклонение от технологического регламента, о котором нужно сообщить оператору-технологу, а это осуществляет программа Д, то, вызвав ее, операционная система может разрешить продолжить выполнение программы Г и лишь затем перейти к программе Д.
Понятию «Управление данными» в современных ЭВМ соответствует программное обеспечение, именуемое «Сис-70
тема управления базой данных» (СУБД). Основной задачей СУБД является организация хранения данных в устройствах памяти нескольких видов и выдача функциональным программам данных в той форме, в какой они нужны для обработки. Роль СУБД в последнее время значительно возросла. Это связано с тем, что обеспечить информационную взаимосвязь десятков программ в АСУ ТП очень сложно. Укрупненно данные можно разделить (рис. 2.10) на локальные (для одной программы) и глобальные (общие для нескольких программ). Такое деление позволяет рационально обслуживать каждый вид данных; в частности, оно дает возможность
Рис. 2.10. Локальные данные программ и глобальные данные АСУТП.
программисту программы А не знать о данных программы В; данные могут храниться в памяти того вида, который по скорости доступа (т. е. чтения и записи) соответствует требованиям, предъявляемым -к программам А или В.
Обычно СУБД (как и операционная система) обладают набором функций, которыми можно воспользоваться, обращаясь к СУБД из программы или с пульта оператора. Типичными функциями являются:
объявить о существовании нового элемента данных, сообщив его имя и технические характеристики, позволяющие СУБД отвести для него место;
узнать значение элемента по его имени;
Л
изменить значение элемента;
узнать характеристики элемента данных (тип, место хранения, достоверность).
Еще одной частью программного обеспечения АСУ ТП (см. рис. 2.8) являются программы, обслуживающие связь людей с операционной системой и с данными. Этот
Рис. 2.11. Схема связи операторов с данными.
раздел программное обеспечение имеет большое значение в АСУ ТП, так как в работе системы управления принимает участие человек. Схема связи оператора с данными показана на рис. 2.11. Для представления данных операторам в АСУ ТП имеется большой набор технических средств: печатающие устройства, дисплеи, мнемосхемы и т. д. Так как с АСУ ТП взаимодействуют люди разных специальностей и разного уровня знаний в области ЭВМ и программирования, то к программам связи операторов с операционной системой и с данными 7?
Предъявляются разнообразные требования удобства общения человека с УВМ.
В настоящее время принята классификация ПО АСУ ТП, в которой программные элементы делятся на два класса: общее праг-цам-мноеи^еспечение и специальное
— U6"щее программное обеспечение АСУ ТП — это часть программного обеспечения системы, представляющая собой совокупность программ, необходимых для функционирования собственно вычислительного комплекса вне зависимости от особенностей данной АСУ и от конкретного набора выполняемых ею функций, к этой группе относятся:
программа-диспетчер, оперативно координирующая работу отдельных программ и устройств В К, организующая очереди разных программ и устройств;
программы управления отдельными устройствами В К;
служебные программы, например, для формирования таблиц, печати результатов расчетов;
стандартные подпрограммы для вычисления часто встречающихся функций (например, логарифмов, синусов) ;
трансляторы с алгоритмических языков (АЛГОЛ, ФОРТРАН и др.);
тесты для проверки исправности устройств вычислительного комплекса, локализации места повреждений и др.
Общее программное обеспечение обычно поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники.
,	программное обеспеч е-
ние (СГЮ) АОу 111 — это часть ее прогр^многообё^" 'Пёчения, разрабатываемая прйГсбзДЖйтюнкретной системы и включающая в себя программы реализации управляющих, информационных и вспомогательных функций (обеспечение заданного функционирования техни-

ческих средств системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой системы и т. п.); оно разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения. При этом к СПО АСУ ТП обычно предъявляют следующие требования: специальное программное обеспечение должно быть достаточным для выполнения всех функций, реализуемых с участием программируемых средств вычислительной техники;
73
должна быть обеспечена возможность расширения ПО с учетом перспектив развития АСУ ТП в пределах, предусмотренных техническим заданием на систему;
программное обеспечение должно предусматривать необходимый контроль информации, источником которой являются технологический объект управления и оперативный персонал АСУ ТП.
Специальное программное обеспечение содержит, например, следующие функциональные программы:
обнаружение выхода параметров за допустимые пределы;
сглаживание (фильтрацию) показаний датчиков;
вычисление технико-экономических показателей работы технологических агрегатов;
определение опасных (аварийных, предаварийных) ситуаций на объекте управления;
вычисление управляющих воздействий, реализующих тот или иной закон регулирования;
оптимизацию технологического процесса; оперативную коррекцию плана производства;
прогнозирующий расчет протекания технологического процесса при тех или иных предлагаемых управляющих воздействиях.
Естественно, что программы, реализующие одинаковые функции для различных объектов управления, могут быть также различными.
в) Разработка специального программного обеспечения АСУ ТП
Работы по созданию СПО АСУ ТП являются продолжением и развитием работ по алгоритмизации. Разработанная алгоритмическая структура АСУ ТП, блок-схемы алгоритмов и собственно алгоритмы выполнения функций служат исходными данными для разработки СПО.
При разработке СПО необходимо решить два круга вопросов. Первый из них связан со структуризацией будущего программного комплекса, т. е. с переходом от алгоритмической структуры к структуре комплекса программ. Это означает, что необходимо принять решение о составе программ и их взаимодействии. Как правило, число отдельных программ СПО не совпадает с числом функциональных задач. Нет такого совпадения и с чис-74
лом отдельных законченных алгоритмов или подалгоритмов. Это положение вызвано тем, что при делении полного алгоритмического описания функций системы на отдельные алгоритмы и подалторитмы исходят прежде всего из того, чтобы удобно было ограничить и сформулировать постановку каждой задачи, ее замысел. При этом стараются опустить те подробности, которые не нужны для указанной цели.
В отличие от этапа разработки алгоритмов на этапе программирования все алгоритмы, поручаемые машине, детализируются до такого уровня, когда его можно исполнить на ЭВМ с заданными характеристиками. Для этого проводится структуризация программ, т. е. решается вопрос о том, сколько программ будет соответствовать алгоритмической постановке и как распределится весь алгоритм по отдельным программам. Результатами этой работы являются состав (перечень) программ и схема их взаимодействия.
Второй круг вопросов связан с организацией взаимодействия программ, которые могут взаимодействовать в двух аспектах: одна программа может инициировать (вызывать) работу другой программы, и (или) между программами может иметь место обмен данными.
В § 2.3 был приведен пример алгоритмизации задачи регулирования температуры теплообменника. Продол-
Таблица 2Л. Состав программ задачи Р/					
Программа		Прио-ритет	Режим исполнения	Периодичность, с	Примечание
Имя	Назначение				
П1	Опрос датчиков и запись параметров в базу данных	10	Периодический	2	—•
П2	Расчет	уставки для	регулятора расхода Q2	13		60	—•
ПЗ	Расчет управляющего воздействия на клапан К1	12		10	—
П4	Реализация упра в-ляющего воздействия	11	я	2	—
П5	Вывод данных на дисплей	14	По требованию оператора		Обновление данных осуществляется через 15 с
75
Таблица 2.2. Информационные связи программ задачи Р1
Данные		Программы				
Имт	Наименование	П1	П2	ПЗ |	| П4	П5
Т1	Температура воды на выходе в теплообменник	ВЫХ	ВХ	—		ВХ
Т2	Температура греющего пара*	ВЫХ	ВХ	—	-—	ВХ
Т	Температура воды н а выходе из теплообменника	вых	ВХ	—	—	ВХ
Q1	Расходы воды в теплообменник	вых	ВХ	—	—	ВХ
Q2	Расход пара на обогрев воды	вых	—	ВХ	—	ВХ
Р1	Управляющее воздействие на клапанах	—	—	—	ВЫХ	ВХ
Примечание. ВЫХ означает, что данные являются выходными для программы, т. е. в ней рассчитываются; ВХ означает, что данные являются входными.
жая рассмотрение этого примера, допустим, что на этапе программирования в результате структуризации этого алгоритма возникло пять программ (табл. 2.1), между которыми распределился весь алгоритм. Каждая из этих программ по-своему взаимодействует с операционной системой: имеет свой приоритет, режим исполнения и периодичность вызова. В описываемом примере четыре программы (Ш, П2^ ПЗ и П4) работают (исполняются) периодически, а программа П5 по требованию оператора. Взаимодействие между указанными программами по вызову отсутствует, т. е. одна программа не вызывает другую. Однако информационная взаимосвязь между программами по передаче данных существует (табл. 2.2). Элемент данных может быть для программы входным или выходным. Первое означает, что программа использует результат обработки другой программы, а выходными являются данные, получаемые в итоге выполнения данной программы.
Из табл. 2.2 видно, например, что значение расхода пара рассчитывается в программе Ш, а используется программами ПЗ и П5.
Еще раз отметим, что во многих случаях не существует однозначного соответствия между делением алгоритма на этапе алгоритмизации на подалгоритмы или укрупненные блоки и делением того же алгоритма на 76
части, выделяемые в самостоятельные программы при структуризации программ. Для иллюстрации сказанного на рис. 2.12 показана укрупненная блок-схема программы Ш. Она объединяет в себе блоки А1 и А2 укрупненной блок-схемы подалгоритма А, показанного на рис. 2.5.
Програима П1
Рис. 2.12. Укрупненная блок-схема программы Ш.
г) Проектирование и изготовление программного обеспечения АСУ ТП
Еще 10—15 лет тому назад, когда зарождалось применение ЭВМ для управления технологическими процессами, все ПО АСУ ТП разрабатывалось индивидуально для каждого объекта. По мере накопления опыта и понимания требований к ПО АСУ ТП развивалась унификация отдельных элементов ПО. Современное состояние проблемы создания ПО АСУ конкретными объектами можно охарактеризовать следующим образом.
Операционные системы. Выпускаемые нашей промышленностью ЭВМ для АСУ ТП (например, типов М-6000, М-7000,
, СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4) поставляются с набором операционных систем. В соответствии с требованиями, предъявляемыми в конкретной системе управления к составу устройства ЭВМ и регламенту выполнения программ при проектировании АСУ ТП, выбирается та или иная ОС из множества возможных.
Система управления базой данных. Унификация СУБД для АСУ ТП в настоящее время не завершена. Наряду с использованием СУБД, имеющихся в составе ПО ЭВМ, для отдельных объектов (или групп объектов) продолжаются разработки индивидуальных СУБД. По-видимому, в ближайшие годы будет создан набор СУБД, позволяющий сократить индивидуальные разработки и использовать в большинстве случаев готовые решения.
77
Программы связи оператора с ОС и данными обычно входят в состав операционной системы и (или) СУБД. Их унификация только начинается, и комплексно они начали рассматриваться лишь в последнее время. Поэтому для конкретных АСУ ТП их разработка сейчас ведется индивидуально.
Функциональные программы. Эта часть ПО АСУ ТП в настоящее время наименее унифицирована. Работы в этом направлении ведутся очень интенсивно, и сейчас создаются средства автоматизированной генерации (компоновки) функциональных программ.
Процесс разработки и изготовления СПО АСУ ТП является очень трудоемким и ответственным. В этом процессе широко используются возможности ЭВМ для автоматизации отдельных этапов работ. Наличие трансляторов позволяет вести программирование отдельных модулей на том или ином языке программирования. Программа генерации ОС позволяет скомпоновать (обеспечить) для конкретного объекта нужный набор функций
Рис. 2.13. Схема изготовления программного обеспечения АСУ ТП»
бЙёраЦйонной системы. Имеются средства генераций функциональных программ из отдельных модулей и др. Схема изготовления программного обеспечения АСУ ТП показана на рис. 2.13.
Работы по генерации операционной системы, функциональных программ и базы данных выполняются вне реального времени, т. е. на этапе разработки и изготовления ПО АСУ ТП. Их можно выполнять в вычислительных центрах научно-исследовательских или проектных организаций. Та ЭВМ, на которой они выполняются, называется инструментальной в отличие от объектной ЭВМ, которая работает в составе АСУ ТП во время эксплуатации.
Работы по созданию функциональных программ проводятся в два этапа. На первом этапе создается необходимый набор программных модулей, а на втором осуществляется сборка (компоновка) функциональных программ из модулей. Для изготовления модулей используются языки программирования (АССЕМБЛЕР, ФОРТАН, АЛГОЛ, КОБОЛ) и соответствующие трансляторы. Использование модуля на втором этапе предполагает наличие сведений о модуле. Эти данные обычно оформляются в виде так называемых паспортов, которые, во-первых, содержат характеристики модуля в целом: имя модуля, тип ЭВМ и операционной системы, для которых он предназначен, число параметров настройки и т. д. Во-вторых, паспорта отражают характеристики каждого параметра настройки: назначение (входной или выходной), тип (целый, вещественный или символьный) и пр.
Для составления задания на генерацию функциональных программ из модулей используют специальные языки. Разработчики стремятся, чтобы этими языками могли воспользоваться не только программисты, но и специалисты по автоматизации производственных процессов.
Работы по формированию базы данных включают в себя этапы проектирования структуры данных, форм входных документов, т. е. форм бланков, на которых будут записаны данные, собственно заполнение бланков, контроль данных и их загрузку в ЭВМ.
До недавнего времени, как правило, в качестве инструментальной машины использовалась та же ЭВМ, что и в качестве объектной, например М-6000, М-7000, СМ-1 и др. Однако в последние годы резко возросло (и про-
79
Должает расти) число разрабатываемых АСУ ТП. Накопленный опыт разработок показывает, что большую часть подготовительных работ по изготовлению ПО можно выполнить не на объектной, а на универсальной ЭВМ средней или большой мощности, например, типов ЕС-1022, ЕС-1033, М-4030 и др. Это позволяет повысить производительность труда специалистов научно-исследовательских и проектных организаций.
2.5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ «ИНДУСТРИАЛЬНЫХ» МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Как уже отмечалось, на первом этапе развития АСУ ТП и математическое, и программное обеспечения каждой системы разрабатывались индивидуально, в виде соответствующих монолитных материалов, составленных специально для данной системы. Малейшие модификации, изменения или дополнения таких материалов требовали радикальной переработки соответствующего вида обеспечения, в связи с чем чрезвычайно i затруднялось многократное их использование.
По мере увеличения числа разрабатываемых АСУ ТП и расширения их функций трудоемкость работ по подготовке математического и программного обеспечения возрастала, и стало очевидным несовершенство первоначальной формы представления документации на прог-граммное обеспечение АСУ ТП в виде единой монолитной программной системы. Программное обеспечение АСУ 1П стали готовить в виде отдельных, функционально законченных элементов — программных модулей (ПМ), из которых можно собирать программное обеспечение конкретных проектируемых систем управления. В дальнейшем такой подход был распространен и на алгоритмы. В результате в настоящее время наметились следующие тенденции развития технологии подготовки математического и программного обеспечения АСУ ТП.
На основе обобщения данных по уже существующим и проектируемым АСУ ТП создается алгоритмическая структура обобщенной системы. При этом существовавшая ранее монолитная документация по математическому обеспечению конкретных АСУ ТП (образно выражаясь, их «алгоритмические портреты») расчленяется на отдельные, функционально законченные элементы — 80
алгоритмические модули (монолитный «алгоритмический портрет» данной АСУ ТП при этом заменяется «мозаичным портретом»). Полученные путем обобщения достаточно многочисленных разработок конкретных АСУ ТП алгоритмические модули сортируются, и на их основе создается типовая алгоритмическая база АСУ ТП (формируется как бы абстрактный мозаичный «алгоритмический портрет» обобщенной АСУ ТП). Такая алгоритмическая база в настоящее время создана в виде сборников алгоритмических модулей, типичных для АСУ ТП ведущих отраслей промышленности. В алгоритмической базе АСУ ГП, образуемой всей совокупностью алгоритмических модулей, можно выделить «общепромышленное ядро», в которое входят алгоритмические модули, повторяющиеся в большинстве АСУ ТП независимо от их отраслевой принадлежности.
Алгоритмическая база АСУ ТП является основой для построения соответствующей программной базы АСУ ТП, создаваемой в виде единой библиотеки программных модулей (или совокупности таких библиотек по отраслям промышленности). Структура программной базы соответствует структуре алгоритмической базы АСУ ТП: алгоритмическому модулю (или их отдельной группе) соответствует один или несколько программных модулей. Образно выражаясь, строится «мозаичный программный портрет» обобщенной АСУ ТП, повторяющий черты «алгоритмического портрета», и хотя отдельные элементы алгоритмической и программной «мозаик» могут строго не совпадать, «программный портрет» в целом является отображением «алгоритмического портрета». Общая схема программной базы повторяет схему алгоритмической базы АСУ ТП, поэтому первой (и наиболее важной) задачей является построение общепромышленного «ядра» программной базы. Программная база АСУ ТП создается сразу на машинных носителях в виде библиотеки, снабженной сервисными программами, позволяющими осуществлять ввод, редактирование и замену программных модулей, устанавливать связи между ними, осуществлять документирование и т. п.
Следующим шагом к совершенствованию технологии подготовки программного обеспечения АСУ ТП является созданце систем генерации программного обеспечения. Необходимость применения систем генерации программного обеспечения вызвана не только стремлением 6-1341	81
повысить производительность труда разработчиков АСУ ТП, но и развитием самих систем управления процессами. По мере развития АСУ ТП, расширения их функций объем ПО непрерывно растет и в развитых АСУ в настоящее время исчисляется десятками тысяч машинных команд. Сборка и комплексная отладка таких объемных программных систем обычными методами становится практически невозможной, что существенно тормозит внедрение и дальнейшее развитие АСУ ТП. Системы генерации ПО принципиально позволяют перевести подготовку ПО на индустриальную основу путем автоматизации процесса сборки крупных программных систем из отдельных программных модулей и осуществления привязки сгенерированной программной системы к заданной конфигурации операционной системы управляющего вычислительного комплекса (УВК) проектируемой АСУ ТП. При этом существенно сокращаются ошибки при формировании специального ПО АСУ ТП и упрощается процесс его комплексной отладки на объекте.
Следует отметить специфику задачи автоматизации процесса подготовки ПО АСУ ТП. Поскольку АСУ ТП чрезвычайно разнообразны (подавляющее большинство их отличается друг от друга функциональной, алгоритмической, технической и другими структурами, т.е. практически не встречается строго одинаковых АСУ ТП), соответственно разнообразны и конфигурации их программных комплексов. Поэтому задача автоматизированной генерации ПО не похожа на задачу, решаемую автоматической поточной линией при массовом изготовлении однотипных деталей или их сборке в одинаковые изделия. Скорее это аналог задачи, решаемой станками с числовым программным управлением (ЧПУ). Аналогично тому, как станку с ЧПУ можно задать программу изготовления нужной детали (и затем станок отработает полученное задание), системе генерации можно задать программу сборки функциональной программной системы, соответствующую функциям проектируемой АСУ ТП и принятой конфигурации ее УВК; система генерации при этом осуществит сборки СПО проектируемой АСУ ТП и согласование ее с заданной ОС.
Простейшие системы генерации представляют собой надстройку над библиотекой программных модулей, ее дальнейшим развитием. Снабдив библиотеку входным языком, на котором можно описать необходимую конфи-82
гурацию проектируемой программной системы (из состава модулей, хранящихся в библиотеке), заданные массивы входных величин, подлежащих обработке проектируемой программной системой, заданную дисциплину обработки информации и необходимые характеристики ОС УВК, добавив к библиотеке редактор связей, получим простейшую систему генерации, которая сможет собрать заданную конфигурацию специального ПО проектируемой АСУ ТП и выдать соответствующую программную документацию.
Другой класс систем генерации ПО образуют параметрически настраиваемые системы. Они включают в себя собственную библиотеку из ограниченного набора унифицированных программных модулей. На входном языке системы, доступном инженеру-проектировщику, описываются массивы входных и выходных величин, заданные правила обработки информации и дисциплина обслуживания. Система формирует базу данных из входных и выходных величин и параметров настройки унифицированных модулей, обеспечивающих решение заданных задач с требуемой дисциплиной. Система формирует фактически не исполнительную программу, а лишь базу данных; в процессе выполнения задач используются унифицированные программы внутренней библиотеки системы (в так называемом интерпретирующем режиме). В связи с этим параметрически настраиваемые системы допускают широкие возможности корректировки программного обеспечения в период внедрения и эксплуатации АСУ ТП.
Следующий этап развития технологии подготовки математического и программного обеспечения АСУ ТП — создание систем автоматизированного проектирования (САПР) этих видов обеспечения АСУ ТП. Внедрение таких САПР в практику означает по существу кардиналь-,ный переход к промышленным (индустриальным) методам подготовки математического и программного обеспечения АСУ ТП. В качестве примера рассмотрим принципы построения одной из САПР математического и программного обеспечения АСУ ТП.
Общая схема функционирования САПР математического обеспечения (МО) и программного. обеспечения (ПО) приведена на рис. 2.14 Исходное задание на проектирование вводится в систему с помощью подсистемы формализации задания с пульта инженера-проектанта.
Базой САПР является банк данных и методов (БДМ), в котором хранятся библиотеки алгоритмических и программных модулей, а также программные реализации математических методов, используемых при анализе, исследовании и настройке алгоритмов и программ АСУ ТП.
Система автоматизированного проектирования позволяет решать следующие задачи:
1)	по заданной в техническом задании (ТЗ) функциональной схеме проектируемой АСУ ТП формировать ее алгоритмическую структуру из набора алгоритмических модулей, хранящихся в БДМ; при необходимости формировать недостающие алгоритмические модули по математическому описанию соответствующей задачи, вводимому в систему инженером-проектантом (при этом одновременно производится дополнение библиотеки алгоритмических модулей в БДМ);
2)	формировать программную модель спроектированной алгоритмической структуры из набора программных модулей, хранящихся в БДМ; при необходимости формировать недостающие программные модули по соответствующим модулям алгоритмической структуры (при этом одновременно производится дополнение библиотеки программных модулей в БДМ);
3)	производить анализ, отработку и аппроксимацию спроектированной алгоритмической структуры АСУ ТП
Рис. 2.14. Общая схема системы проектирования МО и ПО АСУ ТП. 84
для последующего формирования рабочей модели программного обеспечения АСУ ТП;
4)	формировать рабочую программную модель проектируемой АСУ ТП по спроектированной алгоритмической структуре путем целесообразной аппроксимации исходных алгоритмов унифицированными программными модулями. Процесс формирования рабочей модели включает организацию базы данных программной системы проектируемой АСУ ТП, уточнение конфигурации технической структуры УВК и привязку к его операционной системе;
5)	осуществлять настройку рабочей программной модели проектируемой АСУ ТП и проверку ее функционирования;
6)	осуществлять документирование спроектированных алгоритмов и программного обеспечения АСУ ТП.
Практически САПР математического и программного обеспечения АСУ ТП включает в себя ряд подсистем, взаимосвязанных в единый человеко-машинный комплекс. В частности, предусматриваются подсистемы проектирования алгоритмической структуры АСУ ТП, ее моделирования, формирования и настройки рабочей модели, документирования. Все подсистемы объединяются единой базой данных, являющейся составной частью БДМ. В системе последовательно решаются перечисленные выше задачи, а конечной целью функционирования системы является построение действующей рабочей модели МО проектируемой АСУ ТП, с которой считываются и документируются соответствующие алгоритмы и полное ПО.
Глава третья
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ «ЧЕЛОВЕК — МАШИНА» В АСУ ТП
3.1.	ЧЕЛОВЕК—ГЛАВНОЕ ЗВЕНО В КОНТУРЕ АСУ ТП
В существующих системах управления технологическими объектами на человека возлагается выполнение самых разнообразных операций. Иногда он выступает в роли исполнительного механизма, выполняющего несложные операции по сигналам командного устройства или другого человека, а иногда осуществляет наиболее ответственные, сложные и тонкие операции по управлению целыми технологическими комплексами. Типичны
85
также случаи, когда человек играет роль контролера, участвуя в процессе измерения и выполняя различные операции с целью получения информации о текущем состоянии некоторых технологических параметров (отбирает пробу расплавленного металла из мартеновской печи, выполняет экспресс-анализ в лаборатории для определения содержания углерода в металле и т. п.).
По мере усложнения производства, повышения интенсивности и напряженности протекания технологических процессов и, наконец, в результате резкого повышения уровня автоматизации существенно изменяется роль человека в современных промышленных системах управления.
Накопленный опыт позволяет утверждать, что в будущих автоматизированных системах управления производством в одних случаях человек будет вытесняться автоматическими устройствами из контура управления (контролеры, исполнители), а в других, наоборот, его роль будет возрастать (операторы-технологи), так как человек останется в них главнейшим решающим звеном. Вследствие этого одной из центральных проблем создания АСУ ТП является реализация оптимального взаимодействия «человек — машина», т. е. такая организация потоков информации к человеку и командной информации от него, при которой обеспечивается наилучшее, наиболее полное использование всех его творческих возможностей. Поэтому при разработке АСУ ТП и соответствующих технических средств взаимодействия «человек — машина» для таких систем управления необходимо учитывать психофизиологические особенности и возможности человека, а те конструктивные элементы, через которые осуществляется взаимодействие (индикаторы показывающих устройств для передачи информации человеку, рукоятки командных устройств для передачи управляющих воздействий от него и т. д.), должны быть удобны человеку, т. е. должны быть такими, чтобы от человека не требовалось чрезмерного напряжения внимания или физических усилий, лишних утомительных операций по настройке или эксплуатации и т. д. К этому же перечню нужно отнести и требования комфорта для оптимальной жизнедеятельности человека на рабочем месте.
Необходимо отметить, что даже при полной замене контролеров-наблюдателей и исполнителей автоматиче-96
скйми устройствами деятельность человека в АСУ ТП остается очень напряженной и ответственной. Он должен постоянно находиться в рабочей зоне операторского пункта (диспетчерской) и взаимодействовать с различными информационными и командными устройствами. Воспринимая информацию, поступающую с измерительных приборов, мнемосхемы, дисплеев и других устройств, человек обязан безошибочно анализировать ее, своевременно принимать решения по управлению и исполнять их с помощью различного рода командных устройств (кнопок, переключателей, клавиатуры). Из этого, в частности, следует, что рабочее место человека в АСУ ТП должно быть оснащено соответствующими средствами взаимодействия «человек — машина».
Как звено переработки информации человек подобен универсальному вычислительному устройству. Уступая вычислительным машинам в быстродействии, он может выполнять операции, недоступные им: решать проблемы интуитивным способом, ориентироваться при неполной информации в непредвиденных ситуациях, принимать принципально новые, творческие решения и т. п.
Обычно человек — наименее точный элемент в цепи управления, что особенно важно, когда эта цепь через него замыкается. Поэтому любые меры, предпринимаемые с целью повышения точности работы человека, существенны для повышения результирующей точности всей системы. К таким эффективным мерам относятся: четкое определение функций, выполняемых человеком; согласование характеристик системы и человека; рациональная конструкция средств представления информации и органов управления; оптимальное расположение их на панелях щитов и пультов; специальные тренировки персонала; организация режима работы и условий труда и др.
По надежности работы человек также в значительной мере уступает многим другим звеньям АСУ. Он довольно быстро утомляется, качество его работы существенно зависит от большого числа факторов (в том числе психологических). Однако при благоприятных условиях работы благодаря ряду значительных преимуществ перед автоматическими управляющими устройствами (возможность контроля обстановки своими органами чувств, предугадывание событий, способность к обучению, приспособляемость к изменению условий и др.) введение че
87
ловека в систему управления коренным образом улучшает надежность ее работы. Значительный эффект в обеспечении надежности дает использование человека в качестве дублера замкнутых систем управления.
При рассмотрении вопросов эффективного применения творческих возможностей человека как главного звена системы управления прежде всего возникает задача оптимального распределения функций между человеком и машиной. Очевидно, что технике, автоматам, машинам следует поручать те операции, которые они заведомо делают лучше человека, а работа всех остальных частей системы должна быть подчинена задаче оптимального обслуживания человека.
На автоматические устройства АСУ ТП возлагаются прежде всего повторяющиеся, рутинные действия, связанные с достижением таких относительно простых целей управления, как регулирование технологических параметров на заданном уровне или по заданной программе, автоматическая защита по формализованным алгоритмам ит.д. С ростом «мыслительных», вычислительных возможностей машин и степени изученности технологических процессов на автоматы возлагаются более сложные, почти «творческие» действия, связанные с оптимизацией технологического процесса на тех или иных стадиях его протекания. К таким действиям относятся вычисление технико-экономических показателей, расчет оптимальных траекторий в переходных режимах и другие функции, поддающиеся формализации и имеющие соответствующее математическое и техническое обеспечение.
На человека в этих системах возлагаются функции, которые либо пока вообще нельзя поручать автоматам (нет формализованного описания функции, нет аппаратуры, способной ее выполнить), либо автоматическое выполнение которых пока не оправдано экономически. Кроме того, человек всегда выполняет функцию резерва на случай отказа автоматов.
Взаимодействие человека и техники может быть организовано по-разному в зависимости от задач, поставленных перед системой, возможностей выбранных аппаратурных средств и роли, возложенной на человека в данной системе управления. По последнему признаку все АСУ ТП условно можно разделить следующим образом:
1)	системы, в которых человек, осуществляя функции управления, является в то же время исполнительным 88
элементом и даже источником энергии, непосредственно воздействующим на технологическое оборудование объекта;
2)	системы, в которых человек управляет внешними источниками энергии, добиваясь оптимального функционирования объекта; здесь существенна зависимость интенсивности результирующего воздействия источника энергии на процесс от степени управляющего воздействия человека;
3)	системы автоматического управления, выполняющие функции управления в соответствии с некоторым наперед заданным законом функционирования; человеку отводится роль звена, осуществляющего наблюдения за ходом процесса и вводящего корректирующие воздействия;
4)	системы, в которых человек, кроме выполнения функций наблюдения за поведением системы, вводит в нее необходимую информацию.
Отметим, что практически все реальные АСУ ТП представляют собой комбинации систем рассмотренных видов.
Человека в АСУ ТП чаще всего называют оператором или диспетчером. Определения понятий «оператор» и «диспетчер» не имеют четких границ. Рассмотрев иерархическую структуру управления, заметим, что человек может быть диспетчером по отношению к подчиненному ему оператору и в свою очередь оператором по отношению к вышестоящему диспетчеру. Обычно считают, что оператор управляет технологическим процессом непосредственно или с помощью специальных средств, прямо участвуя в производстве предметов, веществ или энергии. В то же время диспетчер с помощью своих технических средств и через других людей направляет ход такого производства, влияя на него косвенно, например, путем оперативного перераспределения ресурсов, заданий и т. п.
По способу представления информации для восприятия ее человеком системы условно делятся следующим образом:
1)	в которых информация выдается человеку в абстрактной форме (в виде цифр, формул, показаний стрелочных контрольно-измерительных приборов и т. п.);
2)	в которых информация воспроизводится в графической форме (в виде графических функциональных за
89
висимостей, диаграмм на регистрирующих приборах и т. п.);
3)	с представлением информации в изобразительной форме (в виде мнемосхем, схем территориального расположения и т. nJ;
4)	в которых информация выдается в виде буквенноцифровых обозначений, текстов (на световых табло, электронно-лучевых трубках, лентах автоматических печатающих устройств и т. д.).
Заметим, что в большинстве реальных АСУ ТП используют не одну, а две-три или даже все четыре формы представления информации человеку.
Общая эффективность функционирования АСУ технологическим процессом или производством, как известно, зависит от совершенства технологического оборудования и системы автоматизации, уровня профессионального мастерства оператора, взаимной приспособленности человека и машины как звеньев единой системы управления. Последнее означает, в частности, что информацию о состоянии управляемого объекта следует представлять оператору в такой форме, которая наиболее полно соответствует закономерностям восприятия и дальнейшей переработки ее человеком. В связи с этим конструирование средств представления информации на основе только технических предпосылок, как это еще нередко бывает, не может обеспечить надежной и высокоэффективной работы оператора. Здесь необходимо привлечение данных инженерной психологии, эргономики, физиологии, гигиены. Немаловажное значение имеет также применение специальных методов художественного конструирования и технической эстетики.
3.2.	ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В АСУ ТП
Важной составляющей современных АСУ ТП являются электронные вычислительные машины (ЭВМ). Первые цифровые ЭВМ появились на мировом рынке в 1950 г. Они выполняли 1700 операций сложения в секунду. В настоящее время имеются большие вычислительные машины, выполняющие 10— 12 млн. операций в секунду; в стадии проектирования находятся машины, выполняющие 500 млн. операций в секунду и более. Речь идет в данном случае об универсальных вычислитель*
иых машинах, которые применяются для решения науФ ных, инженерных, экономических, коммерческих и многих других задач расчетного характера. Иными словами, они являются арифмометрами, обладающими колоссальным быстродействием и выдающими результаты своих вычислений в форме, удобной для человека—пользователя.
Однако нас интересует другая область применения вычислительных машин, принципиально отличная от указанной; этой областью являются системы управления технологическими процессами производства в самых различных отраслях народного хозяйства, где ЭВМ играют важнейшую роль управляющих вычислительных комплексов. Управляющие ЭВМ принципиально отличаются от других тем, что непосредственно связаны с ТОУ, т. е. с технологическим процессом в самом широком и разностороннем понимании этого термина. Через различные чувствительные элементы, датчики, устройства преобразования информации и регулирующие органы они подсоединяются непосредственно к объекту. От ЭВМ, следовательно, требуется, чтобы она работала в темпе, задаваемом физическими переменными и органами управления, к которым подключается и с которыми взаимодействует. Иными словами, она должна работать, как правило, в «реальном времени». Кроме того, действия, выполняемые машиной, часто диктуются событиями, наступившими в процессе, т. е. работа управляющей ЭВМ зависит от внешних событий.
Из этих обстоятельств следуют два основных вывода. Во-первых, в структуре такой ЭВМ дблжны быть специальные устройства ввода-вывода, которые связывают ее с технологическим процессом (объектом). К этим устройствам относятся автоматические средства, необходимые для подключения аналоговых, дискретных и цифровых сигналов, несущих информацию о состоянии технологического процесса, и устройства, индицирующие события или условия, требующие немедленного действия. При этом ЭВМ может быть запрограммирована так, чтобы реагировать на эти сигналы (условия и события) согласно заданному алгоритму управления.
Во-вторых, путем расчета корректирующих или управляющих воздействий, связанного с большим объемом вычислительных операций, которые приходится проделывать за короткий срок и в случайные моменты времени, обусловливаемые внешними событиями, ЭВМ, приме-
91
йяёмая в АСУ ТП, должна формировать своевременную реакцию системы. Это требует максимальной вычислительной мощности —• много большей, чем требовалось бы при постоянной вычислительной загрузке.
Напомним коротко принцип действия ЭВМ. При всем многообразии их типов и видов современные ЭВМ состоят из одних и тех же частей, основными из которых являются следующие устройства: ввода-вывода, запоминающее, арифметическое, управления. Укрупненная техническая структура ЭВМ приведена на рис. 3.1.
Устройство ввода используется для приема дискретных данных, над которыми машина должна выполнить
В УСО вывода
Рис. 3.1. Укрупненная схема структуры ЭВМ.
определенные действия, а также для ввода программы работы. В обычных универсальных ЭВМ ввод данных и программы осуществляются либо вручную путем набора на специальной клавиатуре машины, либо с какого-либо машинного носителя информации (перфокарт, перфолент и т. д.). В ЭВМ АСУ ТП устройства ввода позволяют, кроме того, принимать сигналы, несущие информацию о ходе технологического процесса. В зависимости от конструкции машина может иметь одно или несколько различных вводных устройств.
Арифметическое устройство (АУ) производит арифметические или логические операции над поступающими 92
В него числами. Быстродействие арифметических устройств современных вычислительных машин составляет десятки тысяч операций в секунду. Человек не может с нужной скоростью вводить в АУ необходимые числа и команды, а также считывать результаты операций. Поэтому эти процессы автоматизируются при помощи так называемого запоминающего устройства.
Запоминающее устройство (ЗУ) обеспечивает ЭВМ возможность решения сложных задач. Запоминающее устройство хранит исходные данные, промежуточные и окончательные результаты, а также программы, т. е. совокупности команд, необходимых для решения задач в определенной последовательности. Емкость ЗУ различных машин различна. Большинство ЭВМ имеет ЗУ двух видов: внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Запоминающее устройство ЭВМ называют пначе памятью. Часто памятью называют только оперативное запоминающее устройство. Внешнее запоминающее устройство называют в этих случаях накопителем.
Устройство управления (УУ) предназначено для координации работы всех других устройств ЭВМ. Оно управляет всем вычислительным процессом и, в частности, передает числа из ЗУ в АУ, включает АУ на выполнение требуемой операции и помещает полученный результат в ЗУ.
Как известно, всякий численный метод решения математической задачи сводит это решение к ряду последовательных арифметических действий и логических операций над числами, как заданными в условии задачи, так и получившимися в процессе счета. Каждая такая простая операция в ЭВМ выполняется под воздействием специальной команды.
По форме команда представляет собой набор цифр, цифровой код, а по содержанию приказ устройству управления на выполнение определенной элементарной операции. Расшифровав команду, УУ выполняет строго определенное действие. Так как устройство управления цифровой вычислительной машины само управляет всем процессом вычислений, предварительно должно быть составлено точное описание того, какие команды, в каком порядке и цад какими числами должны быть выполнены. Такое описание всего процесса счета называют программой решения данной задачи на автоматической цифро
93
вой вычислительной машине. Автоматическое tipofpaM-миое управление является основной принципиальной особенностью быстродействующих цифровых вычислительных машин. С УУ связан также пульт ручного управления, служащий для контроля за работой ЭВМ и ручного управления. Машина после введения программы
Рис. 3.2. Схема действия ЭВМ.
и исходных данных работает полностью автоматически. Ручное управление осуществляется обычно лишь в особых случаях, а также при ремонте машины и иногда при отладке программ.
Устройство вывода служит для выдачи результатов вычислений. Данные из машины могут выводиться в различных формах: в виде отпечатанных таблиц, перфокарт, перфолент и т. д.
Действие ЭВМ схематически может быть представлено следующим образом (рис. 3.2) Ч
1	Приводимая далее последовательность операций соответствует номерам стрелок на рисунке.
94
1)	в машину вводятся программа и исходные данные, после чего вся дальнейшая работа протекает автоматически;
2)	из УУ начальный адрес программы направляется в ОЗУ, машина выбирает первую команду программы и пересылает ее в УУ;
3)	в УУ команда расшифровывается и расчленяется на кодовую и адресную части; кодовая часть, воздействуя на АУ и УУ, настраивает их на выполнение операции, предусмотренной кодом; адресная часть команды воздействует на ОЗУ;
4)	под действием адресной части команды происходит выдача в АУ исходных чисел;
5)	арифметическое устройство выполняет операцию, и под действием адреса результат пересылается в соответствующую ячейку ОЗУ. После выполнения первой команды УУ извлекает из ОЗУ вторую и затем аналогичным образом выполняет ее. Так же выполняются и остальные команды программы; адрес программы изменяется с помощью счетчика команд УУ, состояние которого увеличивается на единицу после выполнения каждой команды;
6)	после завершения выполнения программы полученный результат выводится через выводное устройство и машина останавливается. Возможен также и вывод промежуточных результатов вычислений, осуществляемый в процессе решения задачи. Вывод результата и останов машины происходят по специальным командам, предусматриваемым в программе;
7)	электронная машина обладает способностью выбирать то или иное продолжение вычислительного процесса в зависимости от знака полученного промежуточного результата или некоторых других его признаков. Для обеспечения такой работы в устройство управления из арифметического устройства после выполнения каждой команды поступает специальный сигнал, показывающий признак результата; этот сигнал может менять состояние счетчика адреса команд;
8)	в процессе решения задачи ЭВМ может часть данных переписывать в ВЗУ или, наоборот, вводить из него;
9)	работа основных устройств ЭВМ контролируется; при необходимости допускается в некоторой части и ручное управление. Контроль и ручное управление со
95
стороны оператора осуществляются через пульт управления.
Таковы состав и принцип действия практически всех современных цифровых ЭВМ. Однако вычислительные машины, применяемые в АСУ ТП, имеют ряд особенностей. Прежде всего Функциональное назначение ЭВМ, их место и роль в АСУ обусловливают ряд специфических требований, предъявляемых к возможностям и характеристикам этих машин, в том числе:
способность к одностороннему или двустороннему обмену информацией между объектом и ЭВМ в процессе решения функциональных задач в реальном (натуральном) масштабе времени;
пригодность к продолжительной непрерывной работе в течение сотен и тысяч часов;
высокая надежность и программная устойчивость к сбоям и отказам аппаратуры;
возможность выполнения широкого круга задач управления при относительной неизменности их в течение всего периода эксплуатации.
Структура машины также существенно зависит от назначения или режима использования ЭВМ в системах управления. Как уже отмечалось, различают информационный и управляющий режимы использования ЭВМ в АСУ ТП.
В информационном режиме ЭВМ: 1) непрерывно контролирует соответствие параметров процесса допустимым значениям; при обнаружении несоответствия выдает сигнал, регистрирует момент выхода за допустимые пределы; при достижении вышедшим ранее за допустимые пределы параметром нормального значения фиксирует момент достижения нормы; 2) производит избирательный (по желанию оператора) вызов любого из параметров процесса; 3) периодически регистрирует значения контролируемых параметров; 4) сигнализирует о наступлении аварийного состояния; 5) вычисляет некоторые комплексные показатели хода контролируемого процесса (расход вещества, энергии, средние значения параметров за заданное время, КПД агрегата и др.).
Функциональная схема ЭВМ в информационном режиме показана на рис. 3.3. Этот режим характерен для таких АСУ ТП, в которых ЭВМ выполняет роль подсистемы автоматического контроля, сбора и переработки информации. Подобные информационные системы непо-96
средственно не решают задач управления, хотя на основании собранной и переработанной ими информации принимаются те или иные решения по управлению.
Возможен также так называемый информационно-со-ветуюший режим, когда ЭВМ, рассчитывая какие-либо комплексные показатели процесса, дает оператору реко-
Ввод информации:
Рис. 3.3. Упрощенная функциональная структура ЭВМ в информационном режиме.
мендации (советы) в целях оптимизации режима (рис. 3.4). При этом результаты измерения и контроля, а также полученные ЭВМ показатели и советы используются в АСУ ТП для определения оптимальных управляющих воздействий, а собственно формирование и ввод управляющих воздействий на объект осуществляются вручную с помощью устройств дистанционного управления.
В управляющем режиме на ЭВМ, помимо контроля, возлагаются функции управления, которые могут быть весьма разнообразны и зависят от назначения системы. Так, при управлении технологическими процессами ЭВМ может выполнять: 1) пуск и останов агрегатов; 2) определение параметров оптимального режима в соответст-7—1341	97
вии с выбранным критерием оптимальности; 3) формирование управляющих воздействий, обеспечивающих ведение оптимального (или заданного оператором) режима; 4) расчет и регистрацию текущих и усредненных технологических и экономических показателей; 5) выполнение необходимых расчетов для определения пара-
Ввод информации:
Рис. 3.4. Упрощенная функциональная структура ЭВМ в информационно-вычислительном режиме («советчик» оператора).
метров объекта в случае их изменения (коррекцию математической модели объекта); 6) обработку сигналов из управляющих систем высшего уровня и выдачу информации в управляющие системы высшего уровня (при иерархическом построении АСУ). Функциональная схема ЭВМ в управляющем режиме показана на рис. 3.5.
Для работы в АСУ ТП вычислительная машина должна быть укомплектована специальными устройствами связи с объектом (УСО), предназначенными для одностороннего или двустороннего обмена информацией между объектом и машиной. Схема УСО, осуществляющего ввод аналоговой и дискретной информации от объекта управления, в общем виде показана на рис. 3.6. Входная аналоговая информация от различных датчи-98
ков поступает на коммутатор аналоговых сигналов. Преобразование аналоговой информации в цифровую выполняется аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Обычно в состав УСО управляющих машин входят один или два АЦП. Входная дискретная информация о состоянии двухпозиционных датчиков поступает на вход
Рис. 3.5. Упрощенная функциональная структура ЭВМ в управляющем режиме (супервизорное или непосредственное цифровое управление).
коммутатора дискретных сигналов. Выбор канала для ввода аналоговой или дискретной информации в ЭВМ осуществляется по сигналам из устройства управления машины или по «инициативе» датчиков.
Схема УСО для вывода информации показана на рис. 3.7. Характерная особенность блока формирования аналоговых сигналов — использование цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) в каждом из каналов фор-7*	99
мирования аналоговых сигналов (на рисунке не показаны) . При этом ЦАП обеспечивают не только преобразование вводимой в них информации, но и ее запоминание на период времени между двумя циклами преобразования. Выбор канала преобразования осуществляется по команде из устройства управления машины с помощью
Из устрой-
Аналоговые
Дискретные
Рис. 3.6. Упрощенная структурная схема УСО ввода.
Аналоговые выходные сигналы *
Дискретные (двухпози-► ционные} сигналы управления
Рис. 3.7. Упрощенная структурная схема УСО вывода. 100
коммутатора управления. Для формирования сигналов двухпозиционного регулирования (дискретных сигналов управления) используется блок формирования дискретных сигналов. Управляющее устройство координирует работу блоков УСО, получая соответствующие сигналы из арифметического устройства и ЗУ машины.
Большое разнообразие объектов управления предъявляет широкий диапазон требований к средствам вычислительной техники как по их номенклатуре, так и по производительности. В АСУ ТП эти средства должны выполнять не только операции по обработке информации, ее вводу от объекта управления и выводу, но и процедуры, при помощи которых реализуется взаимодействие человека-оператора с ЭВМ.
Логические способности ЭВМ вместе с огромными скоростями выполнения арифметических операций позволяют проводить вычисления и находить управляющие решения со скоростью, намного превышающей требования по быстродействию со стороны большинства технологических процессов. Это дает возможность вести технологические процессы внутри жестких допусков и иметь еще свободное машинное время, которое может быть использовано для решения других задач в системе управления.
Аппаратурной основой, ядром большинства современных развитых АСУ ТП служат отечественные серийные комплексы агрегатных средств вычислительной техники (АСВТ) или так называемая система малых ЭВМ (СМ ЭВМ), с помощью которых реализуются сложные информационные и управляющие функции по своевременной и надежной вычислительной обработке интенсивных потоков информации. Благодаря агрегатному, блочно-модульному принципу их построения и широкому использованию унифицированных видов связей между отдельными устройствами существует принципиальная возможность проектным путем компоновать для каждой конкретной АСУ ТП свой вариант ВК, обладающего заданными параметрами и свойствами (быстродействием, надежностью, емкостью памяти и т. п.). Однако для упрощения производства, проектирования и комплектации широкое применение получили ВК с типовой струк-
Простейшая структурная схема вычислительного комплекса АСУ ТП содержит ЭВМ, УСО и устройство свя-
101
зи с оператором-диспетчером (УСОД). Устройство связи с оператором-диспетчером является частью аппаратуры информационного поля, реализующей обмен информацией между ЭВМ и оператором. В состав УСОД входят устройства отображения и регистрации информации и клавиатуры управления.
Структура ВК зависит от режима его использования, объема вводимой и выводимой информации, необходимой скорости реакции на изменения состояний объекта и от требований по надежности реализации функций. На рис. 3.8 приведена схема ВК, работающего в информационном режиме при относительно невысоких требо-
Рис. 3.8. Структурная схема ВК при наличии развитой локальной автоматики.
ваниях по надежности реализации функций. Такие ВК обычно применяются при наличии в АСУ ТП развитой локальной аппаратуры контроля и управления. При неисправности ВК, до окончания его ремонта, оператор управляет процессом с помощью локальных средств автоматики.
На рис. 3.9 приведена структурная схема ВК, работающего в информационном режиме, когда в АСУ ТП число локальных средств недостаточно для управления даже в стационарном режиме. Здесь значительно повышаются требования по надежности функционирования, так как отсутствие информации о состоянии объекта или выдача ложных советов может привести к нарушению технологического режима. Поэтому используются две ЭВМ, причем в исправном состоянии они делят функции между собой, благодаря чёму существенно повышается быстродействие ВК. При выходе из строя 102
одной из ЭВМ ее на время ремонта резервирует другая вычислительная машина.
На рис. 3.10 приведена схема ВК, работающего в информационном режиме, когда в АСУ ТП число локальных средств контроля достаточно лишь для аварийного останова технологического процесса. В этом случае ВК служит практически единственным средством контроля и управления процессом в стационарном и переходном режимах. Надежность функционирования ВК должна быть соизмерима с надежностью локальных систем контроля. Такой уровень надежности достигается с помощью развитой диагностики исправности функциони-
Рис. 3.9. Структурная схема ВК повышенной производительности с резервированием ЭВМ.
рования ВК и ревервированием не только ЭВМ, но и УСО и УСОД.
В каждом из ВК, схемы которых приведены на рис. 3.8—3.10, кроме функций централизованного контроля и регистрации, могут выполняться и функции «советчика» оператора, супервизорного управления и НЦУ. Выбор структуры ВК для реализации функций управления зависит от требований по скорости отработки воздействий, надежности каналов управления и достоверности управляющей информации. Эти требования формулируются по результатам анализа характеристик объекта управления. Так, включение функции НЦУ существенно повышает требования по быстродействию и надежности ВК. Отказ ВК, работающего в режиме НЦУ, когда отсутствуют автономные регуляторы, приводит к аварийному останову технологического процесса, поэтому надежность каждого канала управления ВК должна быть соизмерима с надежностью локального регулятора. В десятки раз (по сравнению с режимами
юз
контроля и супервизорного управления) повышается частота опроса датчиков и выдачи сигналов управляющих воздействий. Чтобы удовлетворить таким требованиям по надежности и быстродействию, функции НЦУ часто выполняют в отдельном ВК. При этом надежность удается повысить благодаря уменьшению числа входов-выходов и резервированию ЭВМ и УСО, а требуемое быстродействие достигается тем, что в ВК производится
Рис. ЗЛО. Структурная схема ВК при минимальном числе локальных средств контроля.
Рис. 3.11. Структурная схема ВК повышенной надежности. 104
обработка только той информации, которая необходима для НЦУ. Схема высоконадежного и быстродействующего управляющего ВК, работающего в режиме НЦУ, приведена на рис. 3.11, где ВК-1 реализует функции контроля, оптимизации и супервизорного управления, а ВК-2 функции НЦУ.
Современная промышленность характеризуется ростом производительности и сложности технологических
При развитом локаль- С повышенной произ-ном контроле	водительностыо ЬК
и^езервированием
С высокой надежностью функций НЦУ
Рис. 3.12. Структурная схема двухуровневого ВК.
агрегатов, а это все чаще приводит к необходимости создания самостоятельных АСУ ТП на отдельных крупнотоннажных агрегатах. Установка нескольких ВК в системе, управляющей единым технологическим процессом, требует координации их работы. Такая координация возможна с помощью двухуровневых ВК, где на Нижнем уровне решаются задачи контроля и управления (Пильными агрегатами, а на верхнем уровне — задачи Шуф^инации работы агрегатов, составления учетно-от-ЦСИЙЙ документации и др. Пример такого двухуровнево-И^ЖК показан на рис. 3.12. Здесь на нижнем уровне используются ВК всех рассмотренных ранее типов, а на втором уровне двухмашинный комплекс.
.Жак показал опыт, применение ЭВМ в управлении ”?®^нологическими процессами во многих случаях бесспорно оправдано с технической и экономической точек зрения, Прогнозы на будущее говорят о том, что улучшение характеристик ЭВМ будет достигаться с меньшими затратами благодаря успехам электронной техноло-
гов
Однако вопрос о границах применимости ЭВМ в АСУ ТП нельзя считать окончательно решенным, и ответ на него можно будет получить лишь на основе глубоких технико-экономических, социальных и психологических исследований. Он, в частности, связан с решением задач по выбору степени автоматизации функций контроля и управления технологическими объектами. Тем не менее с совершенствованием методов и средств вычислительной техники появляются все большие возможности автоматизации тех функций контроля и управления, которые раньше выполнялись человеком.
3.3.	ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА И ЭВМ
В АСУ ТП существует активное взаимодействие между вычислительной машиной и человеком, интенсивное общение, диалог между ними. Следует заметить, что обычно в таком общении с ЭВМ должны принимать участие не один, а несколько человек, имеющих различные интересы, задачи, знания и профессиональную подготовку. В основном общение происходит между вычислительной машиной и одним из следующих лиц: программистом, оператором ЭВМ и оператором — технологом процесса.
Программист — это высококвалифицированный специалист, задача которого заключается в подготовке и обслуживании программ, выполняемых ЭВМ в данной системе. Его основные интересы связаны с внутренним функционированием ЭВМ. Он нуждается в таких средствах общения с машиной, которые позволяют ему приказывать машине делать то, на что она способна. Поскольку программист является своеобразным «узким» специалистом, его общение с ЭВМ тоже специфично. Детально зная принцип работы ЭВМ, он использует для общения с ней специальные формальные языки, состоящие из абстрактных символов и сложных правил. Ответы машины, например сообщения об обнаруженных в программе ошибках, также могут быть закодированы языком, отличным от естественного. Формальные языки ЭВМ служат главными носителями сообщений между программистом и машиной. Устройства ввода-вывода, применяемые в этом общении, являются стандартными устройствами ЭВМ. Сюда относятся пишущие машинки, устройства ввода и перфорации карт, устройства визуального вывода, специальные печатающие устройства и др. 106
Оператор ЭВМ обычно не участвует в подготовке и обслуживании программ функционирования вычислительной машины в такой степени, в какой это нужно делать программисту. Оператор ЭВМ должен иметь возможность инициировать процесс выполнения программ и в какой-то мере управлять им, т. е. он имеет дело с программами как с единым целым и не должен разбираться в их внутреннем строении. Например, он может отреагировать на ошибку, запустив программу заново или прервав ее выполнение, но установление ошибки, допущенной программистом или оператором-технологом, не его дело. Оператор вычислительной машины управляет потоком заданий (задание — это группа связанных между собой программ) и данных через ЭВМ. Он рассматривает программу или даже все задания как единое целое. Точно так же он управляет потоком данных, оперируя физическими элементами памяти (например, пакетами дисков, катушками магнитной ленты, рулонами перфоленты, колодами перфокарт).
Специальный язык, часто называемый языком управления заданиями, используется оператором ЭВМ для управления заданиями, используется оператором ЭВМ для управления потоком заданий и данных путем выдачи информации и команд специальной управляющей программе — операционной системе, на что последняя отвечает сообщениями, требующими от оператора определенных действий или указывающими на ошибки программы или машины. Гибкость, обеспечиваемая средствами управления заданиями, представляет большую ценность также в АСУ ТП.
Оператор-технолог интересуется прежде всего самим технологическиь лессом, а не вычислительной машиной. Его квалификация и образование часто вообще не имеют отношения к вычислительной технике. Слишком абстрактные языки и сложные правила, применяемые при общении программиста и машины, не могут быть эффективно использованы технологом. Часто его математическая подготовка весьма ограничена: он является работником, обученным лишь ведению данного технологического процесса. Хотя часто он и имеет общее представление о способах управления с помощью вычислительной машины, его диалог с ЭВМ всегда довольно ограничен. Обычно этот диалог включает в себя запрос небольшого числа связанных с процессом данных, таких
107
как уставки и параметры процесса, или обращение к ЭВМ с указанием выполнить некоторую функцию, например распечатку значений технологических величин. Поэтому типичной формой общения оператора-технолога и машины служит ограниченный набор команд, которые вводятся через клавиатуру пишущей машинки или с помощью соответствующих переключателей. Общение оператора технологического процесса с вычислительной машиной в большинстве случаев осуществляется через специальные, достаточно сложные пульты с несколькими пишущими машинками, множеством кнопок, ключей, индикаторных ламп, устройств визуального вывода и регистраторов.
В настоящее время в промышленности не существует единого мнения относительно того, какие функции должен выполнять оператор процесса, а какие оператор ЭВМ. В некоторых АСУ оператор технологического процесса может выполнять лишь простейшие запросы. Такое ограничение достигается специальной конструкцией пульта. На других установках операторов процесса обучают выполнению почти всех тех обязанностей, которые возлагаются на оператора ЭВМ.
Хотя взаимодействие машины с программистом, оператором ЭВМ и оператором технологического процесса рассматривалось раздельно, многие пользователи считают нецелесообразным поручать выполнение этих функций различным людям, не считая этапов монтажа АСУ и пуска объекта управления. После этого, как правило, обязанности оператора ЭВМ распределяются между инженерами-технологами и операторами процесса. Вместе с тем некоторые инженеры-технологи иногда становятся достаточно хорошими программистами.
Все технические средства для общения человека с ЭВМ и другими автоматическими устройствами устанавливают в специальных производственных помещениях. Комплекс таких помещений для работы оператора-технолога (диспетчера) с необходимым оборудованием для управления технологическим процессом или производством называется пунктом управления.
В настоящее время сложился определенный типаж ПУ, характерный для иерархических АСУ ТП. В зависимости от степени близости к технологическому объекту и характера выполняемых задач обычно различают местные (МПУ) и центральные (ЦПУ) пункты управ-108
ления технологическим процессом или агрегатом, а также диспетчерские пункты (ДП). Часто, если роль человека в них существенна, к пункту управления относят ВК и вычислительные центры ВЦ, обслуживающие определенную группу технологических процессов и производств.
В конкретных условиях некоторые пункты управления могут территориально объединяться: например, ВК чаще всего входит в ЦПУ или ДП; сами помещения МПУ и ЦПУ могут примыкать друг к другу или располагаться на некотором удалении друг от друга. Принципиально важно, что существенным звеном всех перечисленных выше пунктов управления является человек, на которого возлагаются вполне определенные, специфичные для каждого пункта управления функции. Характерно также и техническое оснащение каждого из этих пунктов управления в целом, хотя отдельные элементы средств взаимодействия «человек — машина» и другие средства автоматизации уже типизированы достаточно глубоко, и этот процесс продолжается. При объединении нескольких типов пунктов управления в одном, например в ЦПУ, естественно, объединяются и люди; в этом случае на одного человека могут возлагаться различные функции, характерные для пунктов управления разных типов.
. «Следует помнить, что к персоналу, обслуживающему технологический процесс, относятся операторы-технологи, операторы ВК, инженеры-технологи, операторы на местах, так называемые аппаратчики, обходчики, прибористы (от слесаря до инженера), диспетчеры и другие специалисты по управлению технологическим объектом. Этому оперативному персоналу требуется разнообразная информация о ходе процесса, о работе технических средств-, а также о состоянии и функционировании собственно АСУ ТП во всех ее аспектах.
Характер связи между отдельными пунктами управления зависит от ряда конкретных условий (территориальная разобщенность, надежность технологического оборудования и т. п.) и изменяется от простых кабельных связей для небольших расстояний до специальных средств телемеханики и передачи данных при большом рассредоточении управляемых объектов.
Центральные пункты управления (ЦПУ) наиболее характерныъдля современных АСУ ТП, поэтому излагае
мо
мне далее вопросы организации пунктов управления вообще для определенности отнесены именно к ЦПУ.
В типичном варианте в состав оборудования ЦПУ входят следующие элементы: УСО, устройства телемеханики (ТМ) и аппаратура передачи данных (АПД), устройства функционально-группового управления (ФГУ), информационно-вычислительный комплекс (ИВК), управляющий вычислительный комплекс (УВК), средства взаимодействия «человек — машина», аппаратура связи (коммутатор, селектор, телетайп) и т. п.
Основным помещением, в котором находятся люди, непосредственно ведущие технологический процесс, является операторский зал. Основная функциональная зона операторского зала (диспетчерской) образована рабочими местами операторов, технологов, начальников смены и (или) цеха и т. п. Рабочие места представляют собой совокупность информационных и командных органов, расположенных на щитах, отдельных панелях, пультах, приставках к пульту и т. п.
Центральные пункты управления обычно располагают в специальном помещении (здании), не имеющем непосредственного соседства с производственными участками (цехами) предприятия; в нем поддерживают необходимые комфортные условия для человека и оборудования АСУ (температуру окружающей среды, вентиляцию, определенный уровень шума, вибрацию и пр.).
Из схемы ЦПУ (рис. 3.13) видно, что общий контур (ОК) управления, проходящий через АСУ ТП, может быть расчленен на два: автоматический А и эргономический Э, который, в свою очередь, состоит из внутреннего Э1 и внешнего Э2 эргономических контуров. Внутренний эргономический контур Э1 обеспечивает оператору возможность контроля и управления процессом через автоматические устройства, предназначенные для достижения относительно простых, полностью формализованных целей управления (защита, стабилизация и т. п.). Внешний эргономический контур Э2 позволяет оператору контролировать и управлять непосредственно объектом в случае неформализованных целей управления и выполняет (по крайней мере, частично) функции автоматического контура при его выходе из строя.
Сенсорные и моторные блоки содержат в своем составе поля, на которых сосредоточены эргономические элементы. К ним относятся мнемосхемы, индикаторы
110
(устройства контроля, передающие информацию оператору), ключи, кнопки и другие устройства, воспринимающие от оператора управляющие воздействия.
Мнемонические фрагменты (мнемосхемы) со встроенными в них индикаторами представляют собой одно из эффективных средств, призванных облегчить работу оператора, помочь ему среди множества контролируемых параметров выявить те, которые требуют его непосредственного вмешательства, облегчить восприятие
Рас. 3.13. Схема центрального пункта управления.
общей картины протекания технологического процесса в целом или на отдельных его участках. Информация о важнейших параметрах и исполнительных механизмах отображается на мнемосхеме индивидуально; информация о второстепенных параметрах может обобщаться в том или ином виде.
В существующих системах управления мнемосхема чаще всего выполняет чисто информационные функции, хотя используются (например, при управлении энергосетями) и так называемые управляющие мнемосхемы, на которых4 наряду с различного рода индикаторами располагаются соответствующие органы управления, в
m
основном двухпозиционного типа. Мнемосхема может быть реализована на традиционных элементах (индикаторы, табло цифровые и аналоговые показывающие приборы и т. п.) или отображена на экране цветного электронно-лучевого индикатора (ЭЛИ) — дисплея. Все эти и другие разновидности мнемосхем строятся с соблюдением определенных принципов, повышающих эффективность этой формы взаимодействия «человек — машина». Мнемосхемы обычно составляют на основе несколько упрощенных технологических схем, в которые вводят различные сигнальные элементы и надписи, при сохранении графического подобия взаиморасположения технологических линий и т. и. Однако это не всегда ведет к желаемым результатам, так как мнемосхемы могут быть перегругкены изображениями агрегатов и технологическими связями, в результате чего оператору бывает очень трудно пользоваться ими.
Мнемосхема, конечно, не должна вступать в противоречие с технологической схемой, однако она и не должна копировать ее, так как их назначение различно: технологическая схема является детальным графическим отображением процесса; мнемоническая схема служит для контроля и управления объектом. Следовательно, мнемосхема должна отражать логику управления объектом, т. е. выделять те узловые места объекта, знание состояния которых позволяет оператору судить о состоянии объекта в целом.
Эффективное кодирование отдельных элементов мнемосхем повышает наглядность мнемосхем в целом. В настоящее время сложился определенный тип обозначений для элементов мнемосхем АСУ ТП (рис. 3.14,а—е).
Рассмотрим пример мнемосхемы сетевых подогревателей ТЭЦ (рис. 3.14,ж). Прямоугольниками обозначены органы управления — электродвигатели насосов (например, 033, 034 и т. д.), задвижки (80, 81 и т. д.), эжектор 82. Символы технологических параметров: 288, 294 и 302 — давление сетевой воды; 301 — температура; 291, 296 и 297—уровень конденсата в подогревателях. Основное технологическое оборудование: 033 и 034 — подъемные насосы; 037—039 — сетевые насосы; 035, 036 и 059 — конденсатные насосы.
Задвижки 60, 61, 80, 81, 87, 89 и другие находятся на линиях сетевой воды; 93, 95, 96 — на линиях пара; 83, 84, 88, 92 и др. на линиях конденсата.
112
Вопросы выбора вида отдельных элементов мнемосхем, т. е. условных знаков и символов, отсчетных частей контрольно-измерительных приборов, шрифтов для надписей, конфигурации цифр и других элементов подробно рассмотрены в специальной литературе.
Так, например, в мнемосхемах АСУ блоками ТЭЦ для изображения символа задвижки — органа управления, имеющего два нормальных положения («открыто» и «закрыто»), используется следующий принцип (рис. 3.14,е): положение «закрыто» сигнализируется, светящейся красной линией на символе, ориентированной поперек технологического потока, запираемого данной задвижкой, а положение «открыто» — зеленой линией вдоль технологического потока, т. е. применено* кодирование цветом и формой.
В последние годы явно наметилась новая тенденция в развитии сенсорных и моторных блоков ЦПУ. В функциональном плане эта тенденция заключается в переходе от индивидуального и избирательного к фрагментно-МУ (групповому) методу контроля и управления; при-этом структура сенсорно-моторного поля может изменяться в широком (практически неограниченном) диапазоне. Это изменение, осуществляемое полностью автоматически по заданным алгоритмам или полуавтоматически с участием самого оператора, позволяет для каждой» технологической ситуации, отдельного агрегата или их. группы формировать оптимальную структуру сенсорно-моторного поля, включая в него все необходимые индикаторы, переключатели, кнопки, ключи управления и пр. Наряду с этим получают все большее распространение-принципиально новые средства связи с оператором, которые принято называть средствами экранного типа (дисплеи).
Универсальными средствами экранного типа, не накладывающими практически никаких ограничений на фрагментный метод контроля и управления, являются ЭЛИ, снабженные клавиатурой и сочлененные со средствами вычислительной техники. Эти средства создали^ реальную основу для полной унификации операторских залов ЦПУ в аппаратурном плане: в ближайшем будущем они будут строиться на базе унифицированного универсального экрана, что позволяет существенно сократить размеры стационарных мнемосхем, а в ряде случаев вообще их не использовать. Специфика конкрет-
8—1341
11$
Рис. 3.14. Пример мнемосхемы сетевых подогревателей ТЭЦ.
а— контроль давления; б —контроль расхода; в —контроль температуры; г — контроль уровня; д —контроль химического состава; е— обозначение двухпозициониого органа управления; ж — фрагмент мнемосхемы.
Рис. 3.15. Рабочее место оператора, оснащенное средствами представления информации экранного типа.
114
ных АСУ ТП будет определять только общую структуру операторского зала, в частности число рабочих мест; на внутреннюю структуру технических элементов она практически влиять не будет.
Переход к средствам экранного типа сопровождается дальнейшей унификацией конструктивов, из которых компонуются щиты и пульты. Эти конструктивы обеспечивают не только полную завершенность прогрессивного элементного принципа построения средств связи с оператором, но и полную индустриализацию процесса создания центральных пунктов и местных постов управления для конкретных АСУ ТП.
о—Выше нормы (красный)
—Ниже нормы (фиолетовых)
блока^ картограмма активной зоны реактора атомного энерго-8*
115
Рис. 3.17. Фрагмент картограммы.
Деаэратор и питательные электронасосы (ЛЗН) Турбина. У
Жотб.
70
Ж от б. ZH
Z31
393
238
70	Рб,00
ЙЗ 3PP-13	287
> - -£в
Р13Т0 317
H29Q
258
Bfi-5
Р6,00
295В О
02995
0299 А 1--Г
К коллектора!* промышленной I ступениПЭЯ
Л 4
О2&2В Т
P7OJJ
Р200
Г7 ВД-5 О 292 А
2955 0 сч
295 А □
Р230
Р230
Р230
Рис. 3.18. Фрагмент мнемосхемы части энергоблока (деаэратор и пи--тательные электронасосы).
Д16
По мере 'роста степени централизации и автоматизации контроля и управления, т. е. по мере перехода к универсальным экранам (рис. 3.15), основным рабочим местом станет пульт (зоны 1 и 2), дополненный зоной первичной ориентации мнемонического типа (зона 3, расположенная над пультом). Зоны, расположенные слева и справа, предназначены в основном либо для расширения фронта обслуживания при резком возрастании потока заявок на оператора (например, в пере-
Парогенератор Й! 3	^^иАмияНИЭ
TI723			.			X 500
	30U	455	
51834			 V/	-			X 420
	35G	397	
Р0256			X
	25.0	24.5	40.0
10257				X
	25.0	30.2	40.0
HI0I9		 	 К/ ..	-		
	~~ 	—к	ш 2.50	3.45	3.50
T2I06			
	_ 		. - 1— 1 — *20	*63	*50
51380			X
	Z\ 100	135	200
CI725			
	1.20	2.07	гм
Рас. 3.19. Диаграмма мгновенных значений контролируемых пере-ЛКнных.
«Вдных режимах, когда один оператор не в состоянии обслужить этот поток), либо для размещения оборудо-♦Ния, резервирующего контроль и управление (напри-МеР> дЛЯ размещения следящих станций с двойным Управлением: кодовым от ЭВМ или от оператора и руч-ныМ^йМдивидуальным). В заключение необходимо заме-тить, что средства экранного типа уже используются в промышленных АСУ ТП.
<тсно№ы«. разнових(ности отображаемой информации: исмосхемы, таблицы, графики значений параметров,
117
тексты советов и рекомендаций оператору, картограммы.
Цветное изображение облегчает восприятие информации оператором. На цветных мнемосхемах параметры, находящиеся в пределах нормы, обозначаются зеленым цветом, а параметры, отклонившиеся от нормы, выделяются красным цветом и миганием.
На рис. 3.16 представлена картограмма активной зоны реактора атомного энергоблока. Многоугольниками обозначены тепловыделяющие элементы. На картограмме видно, какие параметры находятся в норме (зеленый цвет), выше нормы (красный) и ниже нормы (фиолетовый) .
Для выяснения конкретных численных значений параметров, например, Т, °C, элемента, оператор вызывает фрагмент картограммы, на котором обозначены адреса параметров < (верхний номер) и под ним его значение (рис. 3.17).
На экран могут быть вызваны фрагменты мнемосхемы части энергоблока, например деаэратор и питательные электронасосы (ПЭН) (рис. 3.18); диаграммы, например температур, давлений, уровней, солесодержания в парогенераторе (рис. 3.19), справа даны их номинальные значения); графики изменения во времени параметров или их значения в табличной форме.
Глава четвертая
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
АГРЕГАТАМИ И УСТАНОВКАМИ
4.1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
МОЩНЫМ ЭНЕРГОБЛОКОМ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
В большинстве случаев под термином агрегат подразумевают совокупность нескольких взаимосвязанных аппаратов, в которых осуществляется какой-либо технологический процесс, и машин (насосы, компрессоры, центрифуги, мешалки и т. д.). Примерами агрегатов могут служить котельный и турбинный агрегаты энергоблока, агрегат синтеза аммиака, химический реактор и т. п.
Менее определенными являются термины установка и блок, которые относятся и к агрегату, и к группе 118
агрегатов, при этом подразумевается, что в установке (блоке) осуществляется цельный законченный технологический процесс, причем часто полагают, что при выходе из строя любой машины или аппарата, входящей в установку, прекращается ее функционирование (при отсутствии соответствующего резервирования).
Наряду с понятием агрегата или установки примерно в том же смысле употребляются термины процесс, отделение, реже — цех, производство. Употребление того или иного термина может зависеть от традиции либо от желания подчеркнуть, что изложенное касается рассмотрения принципа действия (процесс) или административного подчинения (такой оттенок имеет термин цех).
Необходимо также заметить, что до последнего времени на каждой стадии крупного непрерывного производства имелось по несколько однотипных агрегатов; однако с прогрессом в области машиностроения и технологии наметилась тенденция к созданию производств на базе агрегатов большой единичной мощности. В связи с этим не только изменяется назначение агрегата — происходит сближение задач управления агрегатами и производствами.
Управление технологическими установками и агрегатами является нижней ступенью иерархии управления. Однако это не означает, что речь идет о простейших объектах управления. Совремённые мощные энергоблоки, нефтеперерабатывающие установки, доменные печи, прокатные станы и другие объекты — это крупные сооружения, включающие в себя десятки механизмов и аппаратов, действующих с высокой интенсивностью, часто при малых запасах устойчивости. Для эффективного управления ими необходимо перерабатывать в темпе с ходом процесса значительные объемы информации.
Одной из особенностей промышленных агрегатов как объектов управления является технологический Характер целей управления. Промышленные установки^— это первый уровень иерархии управления, располагающий физически реализуемыми управляющими органами. Для этого уровня наиболее характерна задача постепенного вывода человека-оператора из контуров Управления £ оставлением за ним в нормальных условиях только функций интеллектуального контроля за ра
119
ботой системы и принятия решений в самых сложных и непредвиденных ситуациях.
Обычно первая задача управления агрегатом формулируется как соблюдение технологического регламента, определяющего допустимые диапазоны изменения температур, давлений, расходов, а также соотношений реагентов и качественных показателей процесса. Кроме того, в задачи управления агрегатами входят их пуски и остановы, аварийная защита, различные блокировки и оптимизация режима. Как правило, решение этих задач достигается с помощью различного рода сложных систем управления.
Одним из самых характерных примеров АСУ ТП в агрегате, рассматриваемых в настоящей главе, является АСУ мощным тепловым энергоблоком.
Современный период развития автоматизации крупных энергоблоков'характеризуется существенным расширением ее объемов и переходом к применению АСУ. Это вызвано, с одной стороны, повышением требований к маневренности энергооборудования, а с другой стороны, появлением новых технических возможностей для их выполнения. Внедрение современных технических средств, особенно вычислительных устройств, безусловно, открывает новые функциональные возможности, но в то же время требует дополнительных капиталовложений и затрат на обслуживание. Основной целью автоматизации энергоблока в конечном счете является снижение себестоимости производимой электрической и тепловой энергии; поэтому важнейшим критерием оптимизации системы управления можно считать минимум приведенных затрат или максимум получаемого экономического эффекта, достигаемый в результате применения этих систем.
Технологические процессы производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии протекают одновременно и непрерывно. Практическое совпадение времени производства и потребления энергии обусловливает органическую зависимость между режимами работы энергетических и других промышленных предприятий. Заметим, что потребление энергии в течение суток, недели и по сезонам под влиянием различных факторов изменяется, что предопределяет необходимость постоянного изменения режима работы энергопредприятий. Перебои в энергоснабжении наносят .народному
120
хозяйству большой ущерб, поэтому обеспечение его высокой надежности, бесперебойности и возможности потребления энергии в необходимых количествах, поддержание нормальных параметров технологических процессов являются чрезвычайно важными задачами.
а)	Характеристика объекта управления
Схема современного мощного теплового энергоблока приведена на рис. 4.1. Энергоблок (его пароводяной тракт) включает в себя котлоагрегат, паровую турбину, конденсационную установку (конденсатор и конденсат-
Рис. 4.1. Технологическая схема теплового энергоблока.
ный насос), систему технического водоснабжения с насосами охлаждающей (циркуляционной) воды, регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД) и подогреватели низкого давления (ПНД), деаэратор, трубопроводы пара и воды. Паровая турбина состоит из трех частей: высокого давления (ВД), среднего давления (СД) и низкого давления (НД).
В котлоагрегате (на рисунке—прямоточного типа) происходит процесс преобразования тепловой энергии сжигаемого топлива и воды в энергию перегретого пара. Процесс генерации пара в прямоточном котлоагрегате осуществляется подогревом котловой воды в водяном экономайзере до температуры кипения (фазового пере
121
хода при сверхкритическом давлении), парообразованием и последующим нагревом полученного пара в пароперегревателе до нужной температуры. Из пароперегревателя пар поступает в турбину. В ее проточной части происходят процесс расширения пара и преобразование тепловой энергии водяного пара в механическую энергию вращения ротора турбины и электрогенератора. Отработавший в части ВД пар для повышения его работоспособности поступает в промежуточный перегреватель котлоагрегата и далее с температурой, практически равной начальной, поступает в часть турбины СД и затем в часть турбины НД.
Из части турбины НД пар поступает в конденсационную установку, где конденсируется. Тепло конденсации отработавшего пара отводится с охлаждающей (циркуляционной) водой. Конденсат турбины перекачивается насосом через группу ПНД в деаэратор, а из деаэратора питательным насосом через группу ПВД в котлоагрегат.
Для теплоэнергетического оборудования энергоблока характерны высокие скорости протекания переходных процессов, которые определяются прежде всего процессами горения топлива и изменениями электрической нагрузки. Обеспечение работоспособности энергоблоков большой мощности достигается поддержанием в узком диапазоне параметров технологического процесса в сотнях контролируемых точек. Эта задача должна решаться для многих возможных режимов, включая пуски и остановы, в условиях значительных внешних возмущений (неравномерность горения твердого топлива, колебания электрической нагрузки) и изменения характеристик оборудования в ходе эксплуатации (загрязнение поверхностей теплообмена, проточных частей турбин и т. д.). Для этого система управления энергоблоком должна вырабатывать управляющие воздействия по обеспечению заданных нагрузок и устранению различных возмущений. Кроме того, требуется непрерывно поддерживать параметры рабочей среды (в первую очередь, температуры и давления) в пределах, обусловленных возможностями конструкционных материалов теплоэнергетического оборудования. Это необходимо, с одной стороны, для достижения максимально возможного КПД оборудования, а с другой стороны, для обеспечения безаварийности и долговечности его работы.
122
Вследствие увеличения единичных мощностей энергоблоков до 800—1200 МВт и связанного с этим роста сложности управления и масштабов возможных потерь решающее значение для работоспособности энергоблока приобретает автоматизация контроля и управления.
б)	Функциональная структура АСУ
В управлении технологическим процессом можно выделить три фазы:
получение и первичная обработка информации; анализ полученной информации и принятие решений; реализация управляющих воздействий.
Для современных АСУ ТП энергоблоков характерно стремление автоматизировать все три фазы управления и свести к минимуму участие оператора-технолога в управлении процессом, возложив на него задачу контроля за процессом и работой автоматизированной системы и подмены автоматики в случае ее отказа. Для успешного контроля за ходом процесса и эффективного выполнения функций резервирования оперативному персоналу необходима разнообразная информация. Эта задача в АСУ ТП энергоблока решается с помощью УВК.
Функциональная структура АСУ ТП современного мощного энергоблока тепловой электростанции (ТЭС) приведена на рис. 4.2. Все функции, реализуемые в АСУ ТП, можно разделить на информационные и управляющие. В свою очередь, информационные функции АСУ ТП можно дополнительно разделить на:
функции, которые представляют собой простейшие преобразования сигналов и реализуются на индивидуальных приборных средствах контроля, регистрации и сигнализации:
информационно-вычислительные функции, охватывающие централизованную первичную обработку информации по относительно простым алгоритмам (носящим массовый и регулярный характер) и последующую ее обработку по сложным, разветвленным алгоритмам: информационно-вычислительные функции возлагаются на УВК.
Вывод информации осуществляется на централизованные средства отображения; часть полученной в
123

От объекта АСУ ТП ТЭС	От объекта
Рис. 42. Функциональная структура АСУ энергоблоком.
АСУ ТП энергоблока информации передается в АСУ электростанцией для обработки и принятия решения.
Управляющие функции выполняются преимущественно индивидуальными устройствами автоматического’ регулирования, функционально-группового управления и технологических защит или оперативным персоналом вручную, с помощью средств дистанционного управления (избирательного или индивидуального). В ряде систем УВК работают в режиме совета оператору, осуществляя для этого анализ полученной информации и принятие предварительных решений (формирование советов персоналу). Иногда на УВК возлагают функции реализации управляющего воздействия в супервизорном режиме или в режиме НЦУ.
Перечисленные выше три фазы характерны при реализации функций управления с помощью как индивидуальных, так и централизованных устройств. Однако на рис. 4.2 такое разделение показано только для функций, реализуемых с помощью УВК, поскольку при этом вскрываются связи между отдельными функциями и их место в общем процессе управления. В индивидуальных же устройствах ФГУ, автоматического регулирования и технологических защит элементы, реализующие три фазы управления, обычно конструктивно объединены и деление их на три части в общей функциональной схеме АСУ ТП энергоблока не дает дополнительной информации.
Рассмотрим более подробно функции, реализуемые в АСУ ТП энергоблоков.
Индивидуальный контроль наиболее ответственных, важнейших технологических параметров выполняется с помощью постоянно включенных аналоговых приборов; для представления оператору предыстории и тенденции изменения параметров в качестве постоянных приборов часто используются индивидуальные графические регистраторы (3—5% общего количества технологических переменных) .
Контроль по вызову на централизованные аналоговые приборы предназначен для обеспечения повышенной надежности измерения ограниченной группы (до-20% общего числа) технологических параметров. Этот вид контроля охватывает в основном оперативные технологические параметры (т. е. те, отклонения которых от нормальных значений сигнализируются), а также пара
125
метры, характеризующие управляющие воздействия (например, расходы топлива, воды и т. п.).
Управляющий вычислительный комплекс осуществляет централизованный сбор и первичную обработку информации, необходимой для реализации всех возложенных на него функций. На этой стадии осуществляются циклический опрос всех входных каналов информации, преобразование аналоговых сигналов в цифровой двоичный код и запись этих кодов в массив ОЗУ, общий для всех функций. Для цифрового контроля по вызову осуществляются преобразование двоичного кода в десятичный и масштабирование входных сигналов. На этой же стадии выполняется аппаратный контроль исправности входных цепей УВК.
К простейшим, но важным видам контроля, реализуемым в АСУ ТП энергоблока, также относятся:
контроль состояний вспомогательного оборудования (положений задвижек, шиберов, агрегатов и приводных электродвигателей, режимов работы регуляторов, функциональных групп и т. п.), который осуществляется на элементах мнемосхемы, расположенной в оперативном контуре центрального пункта управления энергоблоком;
предупредительный контроль технологических параметров, вышедших за пределы установленных значений, который осуществляется подсветкой клавиш полей предметного и предметно-группового вызова мигающим светом с одновременной подачей звукового сигнала;
контроль по вызову на цифровые приборы, который обеспечивает оператору представление цифрового значения любого параметра, подключенного ко входу УВК;
цифровая регистрация по вызову, которая обеспечивает возможность печати на цифропечатающих устройствах одновременно любых 20 входных параметров;
графическая регистрация по вызову на бумажной ленте любого входного параметра.
Наиболее перспективным видом контроля, используемым в АСУ ТП энергоблока, является обобщенный контроль на цветных электронно-лучевых индикаторах— дисплеях. Основной формой представления информации для функции обобщенного контроля является вызов на экран ЭЛИ фрагментов мнемосхемы (см. гл. 3). В качестве вспомогательных форм используются графики, таблицы, картограммы и гистограммы. На мнемо-126
схеме могут высвечиваться текущие значения измеряемых и вычисляемых параметров, индицироваться степени открытия регулирующих органов, состояния механизмов и арматуры, виды управления и т. д. Различают этапные мнемосхемы и фрагменты участков. На этапных мнемосхемах укрупненно показывается состояние объекта в целом, связи между отдельными агрегатами и элементами, а также указываются участки, где произошли те или иные технологические нарушения. На фрагментах мнемосхем собирается подробная информация, относящаяся к конкретному узлу оборудования или тепловой схемы, индицируются (и сигнализируются при опасных отклонениях) значения технологических параметров. Таким образом, с помощью ЭЛИ обеспечивается двухступенчатый (иерархический) принцип вывода информации оператору с переходом от общего к частному. В некоторых случаях при использовании систем множественного контроля появляется третья, групповая или «разъясняющая» ступень представления информации. Так, например, при перегреве одного из подшипников питательного насоса на этапной мнемосхеме возникает сигнал неисправности узла питательных насосов (ПН), на фрагменте питательных насосов появится групповой сигнал о перегреве подшипников, а по таблице подшипников ПН можно будет установить номер подшипника и его текущую температуру.
Ряд более сложных функций реализуется непосредственно УВК.
Функция регистрации аварийных ситуаций предназначается для представления персоналу данных о предава-рийном режиме работы энергоблока, о причинах возникновения и ходе развития аварии, о действиях персонала и автоматических устройств в аварийной ситуации. Для этой цели режим фиксируется постоянно в ходе нормальной эксплуатации блока. Сбор и обновление накопленных данных осуществляются периодически, в результате чего в памяти УВК хранится информация о событиях и значениях параметров за 10-минутный интервал времени, предшествующий моменту последнего запроса. При каждом очередном запросе производятся стирание устаревшей и запись новой информации. При этом используются алгоритмы сжатия, минимизирующие объем накапливаемой информации. Фиксация аварийного режима начинается сразу пбсле возникновения сигнала, клас
127
сифицируемого УВК как признак аварии. Функция регистрации аварийных ситуаций обеспечивает фиксацию последовательности и времени срабатывания технологических защит, положений важнейших регулирующих органов, значений технологических параметров, положений и моментов переключений всех контролируемых двухпозиционных органов. Обработка и вывод информации на бланки устройств регистрации осуществляются после окончания фиксации аварийного режима в виде, удобном для последующего анализа.
Функция анализа действия защит рассчитана на оперативный персонал и призвана облегчить этому персоналу ориентацию в аварийных ситуациях. Она заключается в формировании и автоматическом выводе на экран дисплея информации о первой сработавшей защите и обо всех отклонениях от заданного алгоритма выполнения операций по останову или разгрузке энергоблока, которые производятся на оборудовании после срабатывания защиту.
Функция автоматического расчета технико-экономических показателей (ТЭП) и технических показателей {ТП) предназначена для представления персоналу электростанции текущей и отчетной информации о состоянии «оборудования и качестве его эксплуатации на отдельных участках технологического процесса. В состав вычисляемых ТЭП входят показатели участков котлоагрегата, турбоагрегата, тепловых и электрических собственных нужд, конденсационной установки, энергоблока в целом и др. Кроме вычислений, УВК проводит анализ топливоиспользования по отдельным составляющим и по блоку в целом, а также анализ состояния элементов основного оборудования. Все расчеты ТЭП проводятся одновременно с ходом технологического процесса на основе данных, получаемых за различные интервалы времени непосредственно от объекта, или результатов обработки информации, накапливаемой в УВК. Для непосредственного использования ТЭП в ходе управления процессом предусматривается специальный минимально возможный интервал расчета показателей (оперативные ТЭП). Для анализа качества работы оперативного персонала предусмотрен сменный (8-часовой) интервал расчета ТЭП, а для фиксации качества работы всего энергоблока и составления месячного технического отчета— месячный интервал.
128
На рис. 4.3 показана блок-схема типового алгоритма обработки информации на примере расчета техникоэкономических показателей. Исходная информация от аналоговых и дискретных датчиков автоматически вводится в УВК с интервалом 4—10 с. При этом осуществляются оцифровка входных аналоговых сигналов, накопление и усреднение исходных данных для первичного интервала обработки. Если непрерывное автоматическое измерение параметров технически не может быть выполнено, то в качестве исходных данных могут использоваться также изменяемые константы, к которым относятся, например, состав и характеристики топлива, содержание горючих в шлаке и уносе и т. п. При каждом цикле опроса датчиков, кроме того, анализируется технологическая ситуация на энергоблоке (режим работы, количество сжигаемого топлива, состав вспомогательного оборудования, включенные трубопроводы и т. п.). Распознавание ситуации производится по дискретным сигналам (признакам), характеризующим состояние соответствующих элементов основного оборудования. В зависимости от технологической ситуации изменяется состав исходной информации, участвующей в расчете ТЭП. корректируются формулы и набор вычисляемых параметров.
После накопления исходной информации на интервале 15 мин предусматривается ее дополнительная обработка, которая включает в себя:
определение абсолютного давления среды по измеренным избыточному и барометрическому давлению:
вычисление термодинамических функций состояния воды и водяного пара (удельного объема, энтальпии, энтропии);
определение действительного расхода среды по его измеренному значению (введение поправок на изменение удельного объема);
вычисление расхода среды по измеренному перепаду давлений на расходомерном сужающем устройстве;
- определение среднеарифметических и суммарных значений параметров среды по потоком и линиям;
вычисление некоторых вспомогательных параметров (показателей) и коэффициентов.
Наряду с этой обработкой информации на интервале 15 JHHH производится контроль ее достовепности с заменой недостоверных данных. Контроль осуществляется Для важнейших входных каналов измерения по усред-9—1341	ion
Рис. 4.3. Блок-схема алгоритма расчета ТЭП.
130
ценным (за 15 мин) значениям параметров и выполняется путем их сравнения с сигналами дублирующих датчиков, со сходными параметрами, полученными на основе косвенных вычислений и с использованием априорной информации, а также сигналами других датчиков.
На оперативном интервале, который может принимать одно из трех значений: 15, 30 или 60 мин, вычисляются, анализируются и регистрируются оперативные ТЭП. При этом с помощью УВК осуществляется контроль достоверности расчета следующих обобщенных показателей: КПД котлоагрегата (нетто), удельного расхода тепла (нетто) на турбоустановку и условного топлива на отпущенную электроэнергию. При этом фактические значения указанных показателей сравниваются с допустимыми значениями. При недостоверности любого из трех анализируемых показателей все результаты и исходные данные рассматриваемого интервала классифицируются как недостоверные и не используются для накопления в последующих интервалах. Таким образом, контроль достоверности показателей используется для защиты от попадания явно недостоверной информации в массивы, накопленные за сменный, суточный и месячный интервалы. На этих интервалах (рис. 4.3) реализуются алгоритмы расчета ТЭП, аналогичные используемым на оперативном интервале.
Собственно вычисления ТЭП производятся в следующем порядке: фактические ТЭП, нормативные показатели и перерасходы топлива, показатели технико-экономического анализа работы и состояния котельной и турбинной установок.
Результаты расчета показателей и данные техникоэкономического анализа работы и состояния оборудования регистрируются на бланках алфавитно-цифровых печатающих устройств и выводятся по запросу на экран ЭЛИ. Разработаны специальные типовые формы, которые имеют идентичный вид как для регистрации показателей на печатающих устройствах, так и для вывода на ЭЛИ. Идентичность этих форм соблюдается и при выводе показателей, соответствующих различным вре-меннйм интервалам.
Определение энергетических характеристик энергоблока производится для подготовки нормативных расходных характеристик, используемых АСУ ТЭС для вы
бора состава оборудования, распределения нагрузок, топлива и т. п., для построения оптимальных карт и оценки эффективности режимов работы основного оборудования. В этой функции используются показатели и исходные данные, определяемые при расчете ТЭП.
Оптимизация процесса горения в топке котлоагрегата осуществляется для поддержания максимального значения КПД парогенератора в различных режимах нормальной эксплуатации путем воздействия на расход воздуха, подаваемого в топку. Эта функция выполняется аналоговыми регуляторами топлива, питательной воды, соотношения «топливо — воздух» и экстремальным регулятором, реализованным в УВК. При экстремальном регулировании используется значение КПД котлоагрегата, определяемое функцией расчета ТЭП.
Автоматическая оптимизация давления острого пара производится для выбора и поддержания оптимального по экономичности и допустимого по условиям эксплуатации соотношения давления пара и положения регулирующих клапанов турбины. Оптимальное соотношение устанавливается воздействием на клапаны турбины и на систему регулирования нагрузки энергоблока.
Оптимизация вакуума в конденсаторе турбины предназначена для выбора оптимального значения расхода циркуляционной воды на турбоустановку и применяется для энергоблоков с индивидуальной системой снабжения циркуляционной водой, имеющих устройства изменения производительности циркуляционных насосов. Функция оптимизации вакуума имеет общий с функцией расчета ТЭП массив исходных данных.
Предусматривается, что УВК совместно с функциональными группами, аналоговыми регуляторами, системами защит и блокировок может осуществлять также автоматизированный пуск-останов энергоблока, выполняя функции автоматического регулирования, логического управления и контроля. Функция автоматического регулирования реализуется с помощью автономных аналоговых регуляторов и путем непосредственного цифрового управления и обеспечивает автоматическое изменение основных параметров при пуске. Управляющий вычислительный комплекс вырабатывает регулирующие воздействия для контуров с непосредственным цифровым управлением и задающие воздействия для аналого-132
ВЫХ регуляторов, изменяет парамегры динамической настройки любых контуров регулирования в соответствии с заданным алгоритмом. Основные функции логического управления при этом возлагаются на специальные устройства ФГУ, работа которых координируется УВК. Управляющий вычислительный комплекс осуществляет автоматическую сборку схем регулирования (включение регуляторов в работу по тепломеханическому состоянию с согласованием их схемы перед включением), управляет некоторыми двухпозиционными органами и механизмами, выполняя операции по сборке схем на отдельных этапах пуска, автоматически прекращает изменение параметров при отклонении определенных факторов от нормы или при невыполнении управляющих воздействий, вырабатывает управляющие воздействия для устройств ФГУ.
Обмен данными с вышестоящей АСУ осуществляется для передачи и приема информации, необходимой при расчете и анализе ТЭП электростанции в целом, составления отчетной документации, а также для представления персоналу обобщенной информации о состоянии оборудования и ходе технологических процессов.
Подводя итог краткому описанию функций АСУ ТП энергоблока и возвращаясь к схеме на рис. 4.2, можно констатировать, что при реализации тех или иных функций АСУ ТП в УВК приходится иметь дело с одной, двумя либо тремя фазами управления технологическим процессом. Так, функцию сбора и обработки информации, включающую в себя управление коммутацией входных сигналов, аналого-цифровое преобразование, масштабирование, двоично-десятичное преобразование и т, д., следует отнести к фазе получения и первичной обработки информации. Сложные информационно-вычислительные функции УВК, к которым относятся вычисление комплексных технических и технико-экономических показателей, фиксация ситуаций по довольно сложным алгоритмам обработки исходных данных, контроль состояний технических средств АСУ ТП, также условно можно отнести к первой фазе управления, так как вся эта информация требует от человека-оператора дополнительного анализа перед принятием решения. К фазе анализа полученной информации и выработке решений следует отнести функции анализа показателей топливоиспользова-ния и состояния основного оборудования, расчеты по оп-
133
химизации режимов, диагностике основного оборудования, а также функцию обмена данными с АСУ ТЭС, выработку советов персоналу и расчеты воздействий на ФГУ, регуляторы и исполнительные механизмы (ИМ).
в)	Техническая структура АСУ
Укрупненная техническая структура АСУ ТП энергоблока приведена на рис. 4.4. Комплекс технических средств такой АСУ ТП строится по иерархическому принципу и состоит из источников информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, исполнительных механизмов, автоматических регуляторов, устройств логического управления, защиты средств отображения информации, устройств связи оператора с объектом управления (пульты и панели управления), а также вычислительного комплекса.
Системы автоматического регулирования, логического управления и блокировок строятся в основном на серийной электронной аналоговой аппаратуре, бесконтактных и контактных логических устройствах. Компоновка этих устройств и связи между ними выполняются в соответствии, с типовыми техническими решениями, принятыми для энергоблоков.
Для удобства выполнения операций по дистанционному управлению и исключения ошибочных действий персонала большая часть исполнительных элементов системы управления энергоблоком (механизмы, задвижки, регулирующие органы) объединена в функциональные группы, предназначенные для выполнения единой технологической функции. Задачами устройств логического управления этими функциональными группами являются:
«индивидуальное» управление каждым исполнительным механизмом, входящим в функциональную группу, при котором осуществляются прием, обработка и передача команд на исполнительные органы, сбор и обработка информации о положении управляемых элементов, а также контроль исправности в цепях управления;
групповое управление оборудованием функциональных групп по заданной программе при различных режимах его работы.
Центральной частью АСУ является УВК или информационно-вычислительный комплекс (ИВК). Нижнюю 134
ступень комплекса составляет специализированная информационная подсистема (ИП), обеспечивающая сбор И первичную обработку информации, оперативный контроль, сигнализацию, вызывную цифровую печать, графическую регистрацию и передачу информации вычислительному комплексу. Верхней ступенью является собст-
Пульты и панели" управления
Средства отображения информации
Электронно-лучевые индикаторы
комллекс
Устройства логического
г
матич 'екве^ ► peryr«biopb'|
i k
ре
|исполн!»1тельные механизмы
цифровые приборы
Печатающие устроЕс гва
Аналоговые показывающие приборы
Сигнализаторы
Графические регистраторы
:и информации
Основной и	обор; довали блока

Т
i
1


Рис. 4.4. Техническая структура АСУ.
венно вычислительный комплекс — вычислительная подсистема (ВП), решающая функциональные задачи со сложными алгоритмами.
Иерархическая структура ВК (см. гл. 3) имеет ряд существенных достоинств по сравнению с одноуровневой системой:
более высокие показатели надежности при реализации вызывного контроля, сигнализации, вызывной печати вследствие упрощения структуры нижней подсистемы и введения аппаратной избыточности:
135
возможность поэтапного введения в эксплуатацию ВК и его функций;
упрощенная структура ВК и его программного обеспечения.
Информационная и вычислительная подсистемы построены по блочно-модульному принципу и предусматривают возможность изменения их конфигурации путем изъятия или добавления ряда устройств (блоков памяти, устройств ввода-вывода, модулей связи с объектом и др.). Такой подход позволяет выбрать оптимальные состав и номенклатуру устройств ВК в каждом конкретном случае.
Цифровые приборы и графические регистраторы используются для вывода измеренных и вычисленных значений технологических параметров на соответствующие пульты или панели по вызову оператора с наборного поля. Максимальное время обработки информации и выдачи результатов сравнения не превышает 50 мкс.
Печатающие устройства осуществляют регистрацию в цифровой форме информации о значениях технологических параметров и отклонений их от нормы, а также вычисленных данных. Они могут работать в следующих режимах:	‘
однократной печати по вызову до 24 набранных адресов;
циклической печати, представляющей собой автоматическое повтопение через заранее заданный интервал времени (15; 30 с; 1,5 мин) режима однократной печати;
однократной печати массива информации, заданного начальным и конечным адресами параметров;
циклической печати массивов — автоматического повторения через заданный интервал времени режима однократной печати массивов;
печать значений отклонившихся от нормы параметров (красным цветом) с указанием адреса датчиков и текущего времени опроса.
Вычислительный комплекс представляет собой специфицированный двухмашинный комплекс, построенный на базе ЭВМ типа М-7000 или СМ-2, работающих в режиме разделения задач с взаимным резервированием по важнейшим функциям. Наличие в ВК двух процессоров обеспечивает не только повышенную надежность реализации функций АСУ, по и отладку программ на одном из процессоров на объекте, проведение профилактических ра-136
бот независимо от состояния основного оборудования энергоблока в любое время при сохранении основных функций системы.
Основные технические характеристики ВК для АСУ блоками мощностью 300, 500, 800 и 1200 МВт приведены
ниже:
Число аналоговых	входов.........................От	480	до 1920
Число дискретных	входов.........................От	1024	до 4048
Число дискретных	инициативных	входов............От	240	до 960
Число контактных дискретных выходов на управление ...........................................  От	360 до 720
Число бесконтактных дискретных выходов на управление ...........................................От	50 до 150
Число выходов на групповую сигнализацию.........До 240
Число выходов на индивидуальную сигнализацию . . От 128 до 1024
С помощью независимых устройств логического управления (УЛУ) функциональными группами в АСУ ТП осуществляется основной объем операций по дискретному управлению блоком — включение и отключение механизмов, открытие и закрытие задвижек, включение и отключение автоматических регуляторов и изменение заданных значений регулируемых величин. Индивидуальное управление при этом сохраняется только для наиболее ответственных механизмов, запорных и регулирующих органов, а также для некоторых элементов оборудования, не вошедших в функциональные группы.
Необходимая последовательность выполнения операций по управлению отдельными объектами в группах реализуется автоматически по заранее заданным программам после поступления одной соответствующей команды от оператора энергоблока или от вышестоящих автоматических устройств. Благодаря этому существенно сокращается объем операций по управлению блоком, выполняемый оператором, повышается маневренность блока и уменьшается вероятность ошибочных действий персонала.
На энергоблоке мощностью 500—800 МВт может быть образовано 20—25 функциональных групп, охватывающих большую часть механизмов, запорной и регулирующей арматуры. На котлоагрегате выделяются следующие основные функциональные группы: тягодутьевая установка (две группы), встроенные сепараторы, подвод тдплива к котлоагрегату, горелки или молотковые мельницы, впрыски высокого давления и впрыски
137
промпёрёгрева; на турбоустановке выделяются: собственно турбина (прогрев, разворот, нагружение и останов турбины), конденсационная установка, вакуумная система, циркуляционная система, система уплотнений турбины, подогреватели высокого давления и др. В отдельные функциональные группы объединяются также турбопи-тательный насос, деаэратор, пускосбросные устройства, система охлаждения генератора и пр.
Укрупненная схема УЛУ ФГ показана на рис. 4.5. Самый нижний уровень управления (УЛУ первого уровня) позволяет вести управление каждым из механизмов в отдельности и включает в себя ИМ, блоки
Рис. 4.5. Укрупненная техническая структура устройств логического управления.
управления (БУ) ими, которые могут принимать команды блокировок, команды от устройств управления более высокого уровня и от оператора. Блоки управления принимают информацию о положении двухпозиционных ис-138
полнительных механизмов, формируют требуемые команды управления исполнительными устройствами задвижек и механизмов, производят переключение цепей управления автоматических регуляторов и выдают необходимую информацию в различные устройства управления и сигнализации. Таким образом, УЛУ первого уровня реализуют программу управления отдельными исполнительными устройствами, выдают информацию об их положении и выполняют простейшие логические операции при управлении оборудованием.
Автоматическое управление оборудованием, входящим в функциональную группу, при пуске, останове, изменении нагрузки или состава работающего оборудования обеспечивается устройствами логического управления второго уровня; располагая информацией о состоянии технологического процесса и положении исполнительных механизмов (эта информация поступает к ним от датчиков Д и БУ), УЛУ второго уровня при подаче оперативной команды и на основе заданной программы формируют команды управления, которые поступают на соответствующие блоки первого уровня.
Технологической основой работы каждого УЛУ второго уровня является алгоритм, представляющий собой предельно детализированную последовательность элементарных дискретных операций по управлению технологическим оборудованием и регуляторами данной функциональной группы. Группы параллельных и последовательных элементарных операций обычно объединяются в шаги, каждый из которых обладает законченным содержанием с позиций технолога. Выполнение всех поданных на каждом из шагов команд контролируется УЛУ Второго уровня с ограничением по времени. Если за установленное алгоритмом время какая-либо из операций не будет выполнена, то дальнейшее продвижение программы приостановится, о чем будет выдана информация оператору. При успешном завершении шага, а также при наличии дополнительных условий, если они предусмотрены алгоритмом, начинается выполнение следующего шага программы. Однако общая структура УЛУ второго Уровня во всех случаях сохраняется неизменной. В состав УЛУ второго уровня входят:
блоки преобразователей (БП), предназначенные для согласования и гальванического разделения входных сигналов;
139
информационные блоки (ИБ), формирующие стандартные логические сигналы;
блоки коммутационных полей (БК), в которые записываются подлежащие реализации алгоритмы;
блоки сменной логики (БЛ), позволяющие формировать команды и сигналы, выходящие за рамки стандартной логики шагов и проверок;
блоки шагов (БШ), в которых формируются команды и проверяется их исполнение на каждом шаге;
блоки формирования команд к устройствам управления первого уровня (БФ);
блок запрета (БЗ), останавливающий выдачу команд при возникновении неисправностей, невыполнении команд любого шага и при завершении программы;
блоки сигнализации (БС), формирующие информационные сигналы о ходе выполнения программы и возникающих неисправностях;
блок счета времени (БВ), обеспечивающий контроль невыполнения поданных команд за установленное время, формирование команд заданной длительности и периодичности, а также создание задержек по времени, предусмотренных алгоритмами.
Принятая структура УЛУ второго уровня предусматривает возможность работы в двух различных режимах. Основным является режим автоматического управления функциональной группой, когда после поступления команды от оператора или устройства управления более высокого уровня предусматривается автоматическое последовательное выполнение всех шагов выбранной программы. Кроме этого режима, УЛУ второго уровня может осуществлять полуавтоматическое управление группой. В полуавтоматическом режиме каждый шаг программы выполняется раздельно после подачи команды оператором с сигнализацией о его выполнении или невыполнении за установленное время. Инициатива выполнения того или иного шага программы и контроль за наличием условий, разрешающих его выполнение, при полуавтоматическом режиме предоставляется оператору.
В качестве примера рассмотрим УЛУ функциональной группой «Система уплотнений» (рис. 4.6), обеспечивающей подачу пара в лабиринтовые уплотнения турбины К-1200-24О как при пуске ее, так и при нормальной работе. Эта ФГ воздействует на десять единиц электрифицированной запорной арматуры подачи пара к кол-N0
” - ^Охладитель 1
Валопово-	1
ротное f устрой- | ство
От коллектора.
Сброс
В дренаж
_________5й
ф
й
ф
Вправление
Контроль
Устройства логического управления „система уплотнении
Логика
Эжектор №2
Автоматические регуляторы
Входная информация
Эжек-' тор №(
Рис. 4.6. Функциональная группа «Система уплотнений турбины».
В дренаж
й®
лекторам уплотнений частей турбины: ВД, СД и НД, а также на регулирующие органы двух регуляторов давления пара и одного регулятора сброса пара. В ФГ поступает информация от датчиков, измеряющих давление Р и температуру Т, 21 сигнал от конечных выключателей задвижек и 11 сигналов от регуляторов и валопово-ротного устройства.
Рассмотрим алгоритм работы этой ФГ при пуске турбины из холодного состояния (рис. 4.7). После пода-
йнфориада о заданном состоянии параметров
Команда	и ойорудоваиия
Ррс. 4.7. Алгоритм управления (пример).
142
чи оператором энергоблока команды «Пуск» выполняется первый шаг программы — «сборка схемы»:
закрываются пять задвижек и два регулирующих клапана на тракте подачи пара на уплотнения;
отключаются регулятор давления пара на уплотнения части высокого давления (ЧВД) и части среднего давления (ЧСД) и регулятор давления на уплотнение части низкого давления (ЧНД);
закрываются две задвижки на отсосе воздуха и две задвижки на подачу воды к эжекторам.
На втором шаге («открытие дренажей») осуществляется подача воды на эжекторы (открываются две задвижки), а также открываются дренажные задвижки на трубопроводах подачи пара к уплотнениям.
На третьем шаге («сборка системы отсоса и прогрев трубопроводов») открываются задвижки на отсосе воздуха к обоим эжекторам и осуществляется прогрев паропроводов до тех пор, пока температура пара перед дренажем не достигнет заданного значения.
Четвертый шаг программы («подача пара на уплотнения и прогрев паропроводов») производится только при включенном валоповоротном устройстве и наличии разрежения в охладителе. При этом закрываются открытые ранее дренажные задвижки на трубопроводах уплотнений, подается команда на включение регулятора на сбросе пара в ПНД и открывается задвижка перед регулирующим клапаном подачи пара к уплотнению в часть турбины.
Прогрев паропроводов за регулирующим клапаном производится примерно в течение 5,5 мин, поэтому пятый шаг («включение регуляторов давления») производится через 6 мин после начала четвертого шага.
При достижении турбиной 30% нагрузки подача постороннего пара на уплотнения ЧВД и ЧСД прекращается. На шестом шаге закрываются задвижки перед регулирующим клапаном на подаче пара к уплотнениям этих цилиндров и на перемычке между коллекторами, а также отключается регулятор давления пара на уплотнения ЧВД и ЧСД. При работе турбины в нормальном режиме пар на уплотнения ЧВД и ЧСД поступает из соответствующих цилиндров, а на уплотнение ЧНД от Внешнего источника. После выполнения шестого шага Программа «Пуск» завершается.
143
В заключение заметим, что для управления энерго* блоком мощностью 800 МВт используется информация примерно от 1000 датчиков с унифицированным входом, измеряющих давления, разрежения, перепады давления, уровни и другие параметры, от 800 термопар и термометров сопротивления с преобразователями, от 2000 двухпозиционных органов, механизмов и устройств. На блоке установлено около 500 различных показывающих или регистрирующих вторичных приборов. Система автоматического регулирования содержит более 120 контуров и компонуется примерно из 1000 регулирующих блоков комплексов «Каскад» и АКЭСР.
Общий вид пункта управления тепловым энергоблоком приведен на рис. 4.8.
г)	Некоторые результаты эксплуатации
Технический эффект от внедрения АСУ ТП теплового энергоблока слагается в основном из трех компонентов: повышения экономичности энергоблока путем снижения расхода топлива на единицу выработанной электроэнергии и уменьшения затрат на собственные нужды;
повышения надежности основного оборудования, что приводит к уменьшению числа аварий, сокращению длительности аварийных простоев и удлинению периода использования установленной мощности;
увеличения долговечности основного оборудования, т. е. срока службы отдельных элементов блока до их полной замены благодаря своевременной диагностике их состояния.
Внедрение каждой из функций АСУ дает все три или только часть составляющих технического эффекта. Так, функция централизованного контроля обеспечивает технический эффект по всем составляющим. Повышение экономичности достигается благодаря наглядности и своевременности представления информации оперативному персоналу, что позволяет более точно вести управ-ние технологическим процессом. Функции расчета ТЭП, анализа топливоиспользования и состояния оборудования снабжают оперативный и руководящий персонал не только своевременной информацией о показателях процесса, но и информацией о состоянии оборудования, что также дает эффект по всем составляющим. По экспертным оценкам организаций Минэнерго СССР внедрение 144
1341
Рис. 4.8. Общий вид операторского пункта управления тепловым блоком.
этих функций в полном объеме повышает экономичность работы энергоблока на 1—3%-
При автоматизации пусковых режимов энергоблока повышение экономичности достигается путем сокращения времени пуска, что уменьшает расход топлива, электроэнергии, тепла и других составляющих потерь на пуск. Кроме того, автоматизация пуска-останова обеспечивает сохранность и долговечность работы оборудования. По данным ВТИ, автоматизация процесса пуска только по проточной части турбинной установки дает дополнительно повышение КПД энергоблока на 0,2—0,3%. Эффект от автоматизации пусков энергоблока делится примерно поровну между системами управления и контроля и, естественно, тем выше, чем больше самих пусков.
Функции регистрации аварийных ситуаций и пред-аварийного анализа состояния оборудования в основном направлены на повышение надежности и долговечности оборудования.
4.2.	АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМ ЭНЕРГОБЛОКОМ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Особенности технологического процесса получения энергии на атомной электростанции (АЭС) (необходимость взаимосвязанной непрерывной работы десятков основных и вспомогательных агрегатов и систем, радиоактивная зараженность и ограниченная доступность многих помещений станции, большая единичная мощность агрегатов и высокая интенсивность процессов) требуют такой степени автоматизации, которая позволила бы небольшому числу обслуживающего персонала осуществлять надежное оптимальное управление объектом. Основной задачей, которой подчинены проектирование, строительство и эксплуатация АЭС, является обеспечение безопасности и прежде всего уменьшение вероятности радиационного поражения персонала АЭС и выброса радиоактивных веществ в окружающую среду как в нормальных режимах работы АЭС, так и в любых аварийных ситуациях. Применение на АЭС специальных устройств контроля и автоматической защиты должно способствовать решению задач обеспечения безопасности работы атомной электростанции.
146
Примером АСУ ТП атомного блока может служить система управления одним из энергоблоков Белоярской АЭС.
а)	Характеристика объекта управления
На рис. 4.9 показана упрощенная технологическая схема атомного энергоблока мощностью 600 МВт. Энергоблок состоит из ядерного реактора, трех теплообменников, трех парогенераторов и трех турбин с электроге-
Тепло- Пара- Турбины Электро-Обменники генераторы	генераторы
'Деаэраторы Циркуляционные и питательные насосы Конденсаторы
^?ас. 4.9. Упрощенная технологическая схема атомного энергоблока.
Я верный реактор
ераторами. Тепло, генерируемое в реакторе, отводится мрез три независимые «тепловые петли», каждая изко-ДОрых построена по трехконтурной схеме; теплоносителем в первых двух контурах служит расплавленный натрий, третий контур пароводяной. Циркуляционные и фггательные насосы обеспечивают непрерывное движете теплоносителя. Подготовка воды осуществляется в ^нденсаторах и деаэраторах.
и Ядерный энергетический реактор, как известно, пред-разначен для производства тепловой энергии за счет В*	147
энергии, освобождаемой в результате цепной реакции деления атомных ядер вещества, играющего роль ядер* ного топлива. Тепловая энергия выделяется в так называемой активной зоне реактора, в которой движутся свободные нейтроны. Если нейтрон определенной энергии поглощается ядром топлива, то происходит (с определенной вероятностью) расщепление этого ядра на два осколка или более. При делении ядра освобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии осколков. В результате торможения этих осколков их кинетическая энергия переходит в тепловую. В каждом акте деления испускаются два-три нейтрона, которые способны вызвать деление других ядер топлива. Нейтроны могут принять участие в других реакциях, могут быть поглощены в других материалах активной зоны или выйти за ее пределы. Необходимое условие поддержания цепной реакции состоит в том, чтобы в каждом акте деления ядра топлива возникал по крайней мере один нейтрон, который вызывал бы деление другого ядра. Мощность реактора зависит от числа делений, а следовательно, от числа нейтронов в активной зоне. Изменять число нейтронов можно, регулируя их поглощение специальными элементами из поглощающего материала—регулирующими стержнями, которые можно погружать и извлекать из активной зоны. Элементы из поглощающих материалов используются также для компенсации запаса топлива, обеспечивающего работу реактора в течение длительного времени, и для выравнивания полей энерговыделения.
В процессе деления образуются нейтроны, обладающие высокими энергиями, — быстрые нейтроны. Деление ядер топлива может быть обусловлено поглощением как быстрых нейтронов, так и медленных (тепловых), обладающих малой энергией, замедлившихся в результате соударений с атомными ядрами специально помещаемого в активную зону легкого элемента — замедлителя. Если большинство делений вызывается поглощением тепловых нейтронов, то реактор называется реактором на тепловых нейтронах, или тепловым реактором; если же деление вызывается в основном быстрыми нейтронами, то и реактор называется реактором на быстрых нейтронах — быстрым реактором. Рассматриваемый в качестве примера энергоблок оснащен реактором на быстрых нейтронах. Важной особен-148
ностью таких реакторов является компактность активной зоны, связанная с отсутствием замедлителя, и вследствие этого высокая тепловая напряженность пространства активной зоны, большая интенсивность протекающих в ней тепловых процессов, что вызывает повышенные требования к системам, обеспечивающим защиту, управление и безопасность работы реактора.
Как технологический объект управления атомный энергоблок с реактором на быстрых нейтронах характеризуется следующими важными особенностями:
сложностью технологической схемы, .предопределяющей наличие интенсивных взаимосвязей между параметрами процесса;
наличием многочисленных аппаратов и агрегатов при ограниченной доступности многих помещений, в которых они находятся, что приводит к необходимости контролировать более 5000 сигналов — значений параметров технологических процессов и состояния оборудования;
высокими требованиями к безопасности работы блока, т. е. к надежности и качеству функционирования всех средств автоматики и системы управления в целом;
необходимостью рассчитывать значения свыше 15 тыс. ядерно-физических, теплотехнических, гидравлических и других параметров, недоступных для прямого измерения.
Чтобы энергоблок, обладающий такими особенностями, мог бесперебойно давать электроэнергию, он должен быть оснащен развитой и высоконадежной АСУ ТП. Критерием управления в такой системе является минимизация себестоимости отпускаемой электроэнергии при соблюдении заданий диспетчерского графика энергосистемы и безусловном выполнении требований безопасности. Возможность возникновения аварийных ситуаций, которые могут привести к разрушению реактора и другого оборудования с радиоактивной средой, должна быть практически исключена.
б)	Функциональная структура системы
АСУ ТП энергоблока предназначена для выполнения следующие основных функций:
сбора, обработки и представления оперативному персоналу информации о состоянии процесса и оборудовано
ния, поступающей от аналоговых и двухпозиционных датчиков;
расчета и представления данных о неизмеряемых непосредственно ядерно-физических и теплотехнических параметрах и характеристиках, а также технико-экономических показателях;
регистрации измеряемых и вычисляемых параметров, очередности срабатывания защит и состояния оборудования, а также действий операторов в предаварийный период и в процессе развития аварии;
предупредительной и аварийной сигнализации состояния технологического оборудования и систем управления;
диагностирования технологических ситуаций, состояния оборудования и систем управления с выдачей советов оперативному персоналу и формированием управляющих сигналов на отключение неисправного оборудования и включение резерва;
расчета оптимальных режимов и выдачи оперативному персоналу рекомендаций по управлению блоком;
автоматического и дистанционного управления технологическим процессом и оборудованием энергоблока;
автоматического регулирования технологических параметров блока;
автоматической защиты и блокировки;
обмена информацией с общестанционным вычислительным комплексом АСУ АЭС.
Упрощенная схема функциональной структуры АСУ ТП атомного энергоблока с реактором БН-600 представлена на рис. 4.10, на которой соответствующими стрелками показаны основные информационные связи между функциями, а также управляющие воздействия. Легко заметить, что функциональные структуры атомного и теплового энергоблоков (см. также рис. 4.2) очень похожи; это объясняется в основном единством назначения обоих объектов и близостью содержания задач управления ими.
Практически все указанные выше функции АСУ ТП (кроме автоматической защиты и блокировки) выполняются при участии УВК. Рассмотрим эти функции подробнее. Условно их можно разбить на пять групп:
сбор и предварительная обработка информации (централизованный контроль непосредственно измеряемых параметров) ;
150
У пра вл ль vv _>	дем с t х>ля на обт гнт
Рис. 4.10. Функциональная структура АСУТП атомного энергоблока.
вычисление неизмеряемых (косвенно определяемых показателей;
регистрация состояния объекта, системы управления и представление информации оперативному персоналу;
управление объектом;
обмен информацией с АСУ электростанцией.
Сбор и обработка информации производятся путем опроса аналоговых и дискретных сигналов первичных приборов, подключенных к УВК через УСО. Сигналы аналоговых первичных приборов с помощью аналого-цифровых преобразователей преобразуются в кодовые двоичные сигналы и заносятся в память ЭВМ, откуда они могут быть вызваны для обработки всеми программами. Дискретные сигналы, задаваемые в зависимости от типа первичного прибора изменениями тока, напряжения или электрического сопротивления, преобразуются во входных устройствах в стандартные двоичные сигналы и также заносятся в память машины. В УВК АСУ атомным энергоблоком вводится 2000—4000 аналоговых и до 6000 дискретных сигналов. Опрос аналоговых и дискретных датчиков производится либо с заранее установленным циклом (например, через 2 с), либо по программе, определяемой режимом работы объекта.
Определение неизмеряемых (расчетных) показателей работы энергоблока производится УВК на основании значений непосредственно замеряемых параметров; при этом рассчитываются показатели, которые либо вообще не могут быть определены с помощью каких-либо приборов (КПД блока и отдельных агрегатов, допустимая мощность реактора, качество работы систем автоматического регулирования), либо измерение которых вызывает значительные технические трудности (энерговыделение, изотопный состав топлива во время кампании, паросодержание в каналах). Знание мгновенных значений этих показателей позволяет интенсифицировать работу блока, повысить его мощность или КПД, увеличить мобильность и т. д. Косвенно определяемые показатели на атомных электростанциях можно разделить на физические, теплофизические, теплотехнические и технико-экономические. Расчеты физических показателей позволяют определить такие важные для правильной эксплуатации реактора параметры, как распределение нейтронных полей различных энергетических групп, энерговыделение в различных точках реактора в период
152
камлании. Теплофизические расчеты служат для определения температурных условий работы тепловыделяющих элементов реактора, паросодержания, гидравлических сопротивлений и расходов теплоносителя.
В результате теплотехнических расчетов получают показатели, характеризующие работу тепломеханического оборудования АЭС; в частности, внутренний относительный КПД турбины, рассчитываемый через значения параметров пара на входе и выходе, позволяет сделать заключение о состоянии ее проточной части, а коэффициенты теплопередачи, вычисленные по температурам и расходам сред в теплообменниках, — о наличии загрязнений поверхностей и др. На основании этих характеристик принимаются решения о необходимости изменения режима работы АЭС, планируются оптимальные сроки ремонтов отдельных агрегатов. Технико-экономические показатели, вычисляемые с помощью УВК, содержат данные о расходах тепла на выработку электроэнергии и другие нужды, КПД брутто и нетто отдельных агрегатов, цехов и блока в целом, нормативные коэффициенты снижения эффективности при изменении внешних условий, сведения о потерях тепла и энергии при пусках, остановках и простоях блока. Вычисление косвенно определяемых параметров может быть использовано для оптимизации статических режимов установки. Такая оптимизация может проводиться в соответствии с заранее заданными режимными картами, в которых указаны значения параметров, обеспечивающих получение максимального КПД блока или минимальной себестоимости электроэнергии. Определение косвенных показателей может также служить и целям диагностики состояния технологического оборудования. Под диагностикой понимается определение первопричины нарушения нормальной работы установки или ее отдельных агрегатов, определение вероятного места появления неисправностей, а также степени опасности таких нарушений для дальнейшей эксплуатации установки. Во многих случаях такая информация не может быть получена на основании показаний одного или нескольких приборов, а требуются оперативный расчетно-логический анализ совокупности параметров, а также изучецре истории развития процесса.
Сложность АСУ атомным энергобчоком, большое число контролируемых параметров, объектов управле-
153
иия, контуров регулирования приводят к необходимости контролировать с помощью УВК состояние самой системы управления. Например, анализ результатов замеров приборами, установленными на технологическом оборудовании, показывает, что между многими из них существует определенная связь. Так, должны быть близки друг к другу сигналы от термопар, установленных на выходе из парогенератора и на входе в турбину. Эти зависимости могут быть заранее вычислены и введены в машину. Если в процессе работы энергоблока по какой-либо группе такие зависимости не будут выполняться, это будет означать, что по крайней мере один из параметров, входящих в группу, измеряется неверно. Использование функциональной избыточности упрощается для параметров, которые .по соображениям повышения надежности дублируются и вводятся в УВК по независимым каналам.
Сравнение информации, полученной по независимым каналам, позволяет судить об исправности каналов измерения.
При наличии на объекте большого числа контуров регулирования УВК выполняет также функцию контроля за их работой. Развитая диагностика, осуществляемая УВК, позволяет в ряде случаев предотвратить аварии, облегчить их последствия или сократить время ремонта оборудования.
В группе функций регистрации состояния объекта и системы управления можно выделить следующие виды регистрации: периодическую, по вызову оператора, отклонений, результатов диагностики, действий оператора, предаварийных и аварийных ситуаций.
Периодическая регистрация значений непосредственно и косвенно определяемых параметров осуществляется на печатающих устройствах через заданные интервалы времени. При выводе информации на печать указываются время измерения и номер параметра. Регистрация по вызову оператора применяется при необходимости подробно ознакомиться с состоянием какого-либо технологического узла в режимах наладки, пуска, останова, в экспериментальных целях, при появлении данных о нарушениях режима. Во многих системах осуществляют также функции регистрации отклонений параметров. При этом периодически (с интервалом от одной до нескольких минут) система проверяет наличие от-154
клонений параметров и печатает время, код отклонившегося параметра, его значение и знак отклонения.
Для анализа состояния оборудования и системы управления применяется регистрация результатов диагностики, которая выполняется, если диагностические программы обнаруживают нарушения в работе технологического оборудования или системы управления. Регистрация действий оператора заключается в записи в запоминающие устройства УВК информации о воздействиях оператора на ’запорные и регулирующие органы и другие объекты управления. Эта информация первоначально записывается в ЗУ; при необходимости она извлекается из ЗУ на печать с помощью специальных программ и позволяет получить объективную и полную картину действий оператора за определенный период времени.
Одной из важнейших функций АСУ атомным (как и тепловым) энергоблоком является регистрация пред-аварийных и аварийных ситуаций. Необходимость такой регистрации вызывается тем, что трад иционные методы регистрации и сигнализации параметров в аварийных ситуациях далеко не всегда позволяют определить первопричину аварий, проанализировать правильность действий персонала и работы аварийных защит. Изучение аварийных ситуаций значительно упрощается при использовании информации, собираемой в УВК. Для восстановления предыстории производится постоянная запись в запоминающее устройство ЭВМ параметров по определенному списку с заданным циклом. Цикл записи обычно устанавливается от 10 до 60 с. Число запоминаемых параметров колеблется в различных системах от 100 до 500; как правило, запоминаются параметры, вызывающие срабатывание аварийной защиты или определяющие поведение таких параметров. Время, в течение которого запоминается предыстория, в зависимости от динамических характеристик объекта составляет обычно от 10 до 20 мин. Запись в память осуществляется по кольцевому принципу — каждый новый массив параметров записывается на место старого. При появлении аварийного сигнала запись предыстории прекращается, стирание старой информации приостанавливается и производится запись в ЗУ значений параметров с частотой более высокой, чем при регистрации предыстории. Одновременно регистрируются положения запорных и ре
155
гулирующих органов, моменты срабатывания аварийных защит и блокировок, а также действия оператора. Разрешающее время фиксации срабатывания защит в современных системах составляет около 0,1 с (срабатывания, отделенные большим временем, фиксируются в в правильной последовательности). Зарегистрированная информация может быть выведена на печать, при этом печатаются предыстория, а затем ход развития аварийной ситуации. Поскольку параметры предварительно фиксируются в ЗУ, время печати может быть значительно больше времени развития аварийного процесса и не лимитируется количеством представляемой информации.
Простейшей формой выдачи оператору собранной информации является представление информации по вызову. Вызов осуществляется либо по адресному принципу, когда параметру (или группе параметров) соответствует определенный цифровой или цифро-буквенный код, набираемый на специальных наборных полях, либо по предметному принципу, когда каждому параметру (или группе параметров) соответствует свой орган вызова (кнопка), расположенный на определенном месте мнемосхемы или снабженный соответствующей надписью. Представление информации осуществляется на цифровых или аналоговых показывающих приборах и на самопишущих аналоговых приборах; в последнее время для представления как цифровой, так и аналоговой информации стали широко использоваться ЭЛИ.
Управление с помощью УВК реализуется путем выдачи советов оператору, воздействия на системы управления или непосредственно на исполнительные органы низших иерархических уровней. Управление путем выдачи советов оператору по сравнению с прямым управлением позволяет уменьшить вероятность ложных операций на объекте, происшедших из-за сбоев или неисправностей ЭВМ, так как решения ЭВМ проверяются оператором. Такой способ предпочтительнее на первых этапах внедрения АСУ, когда еще нет полной уверенности в отлаженности и надежности технических средств и программного обеспечения. Одной из распространенных форм советов являются инструкции по ведению переходных режимов. Такие советы могут выдаваться, когда решение об изменении режима принимает оператор или когда изменение режима происходит вследствие срабатывания аварийных защит и блокировок.
156
По мере накоплений опыта эксплуатации ЭВМ, пб; вышения их надежности и совершенствования математического и программного обеспечения УВК поручается все более широкий круг функций по непосредственному управлению объектом. Такое управление осуществляется путем изменения заданий локальным регуляторам, положения регулирующих или запорных органов, а также путем выдачи команд на локальные устройства автоматического функционально-группового управления, выбора регулирующих органов реактора, управляемых регулятором мощности, и при необходимости путем воздействия на органы аварийной защиты.
в)	Техническая структура АСУ
АСУ ТП атомного энергоблока, упрощенная схема технической структуры которой представлена на рис. 4.11, включает в себя:
управляющий вычислительный комплекс с устройствами связи с объектом и оперативным персоналом;
технические средства управления основными технологическими агрегатами блока, в том числе средства управления и защиты реактора, устройства функционально-группового управления1, средства управления главными циркуляционными насосами, средства управления турбогенераторами и др.;
общеблочные технические средства систем контроля и управления, в том числе контроля наиболее ответственных технологических параметров на индивидуальных приборах, автоматического регулирования, дистанционного управления, автоматической защиты технологического оборудования и сигнализации;
датчики и исполнительные механизмы;
центральный операторский пункт управления энергоблоком.
Кроме того, в систему управления атомным энергоблоком входит ряд технических средств систем контроля и управления автономными и вспомогательными процессами и технологическими узлами, в том числе управления перегрузкой и транспортировкой топлива, контроля электрообогрева натриевых контуров, радиационного и дозиметрического контроля и т. д., а также оператор-
1 На рис. 4.11 не показаны. Схема н принцип действия устройств функционально-группового управления рассмотрены в § 4.1.
157
Рис. 4.11. Упрощенная техническая структура АСУ ТП атомного энергоблока.
ские пункты управления автономными и вспомогатель-ными системами.
Как уже отмечалось, :при проектировании и эксплуатации АСУ атомным энергоблоком основное внимание обращается на увеличение надежности выполняемых ею функций. Это достигается путем резервирования наиболее ответственных функций, выполняемых независимыми автоматическими системами и индивидуальными средствами, а также путем использования двух ЭВМ в управляющем вычислительном комплексе с возможностью организации их работы при различном распределении функций и резервирования по основным функциям.
Техническая структура системы построена по иерархическому принципу: функции контроля и управления и соответствующая автоматическая аппаратура для их реализации группируются по взаимоподчиненным уровням и соединяются так, что нарушение работоспособности оборудования вышестоящего уровня не приводит, как правило, к выходу из строя оборудования других уровней; при этом соблюдается приоритетное выполнение команд различных функциональных устройств. Общая иерархия технической структуры АСУ строится по следующей цепочке: УВК — системы автоматического управления и регулирования технологических процессов— системы дистанционного управления функциональными группами исполнительных механизмов и отдельными исполнительными механизмами — автоматическая защита и блокировки. Рассмотрим подробнее основные технические средства АСУ и их комплексы.
Управляющий вычислительный комплекс является основной составной частью системы и позволяет за счет оперативной обработки большого количества информации, выполнения значительного объема расчетов, возможности быстрого анализа состояния оборудования существенно повысить надежность и качество управления и облегчить эксплуатацию энергоблока.
Управляющий вычислительный комплекс, структура Которого представлена на рис. 4.12, состоит из информационного и вычислительного комплексов, устройств свя-Ви с оперативным персоналом и дополнительных устройств связи с объектом.
Информационный комплекс М-60, включающий в Вёбя соответствующие устройства связи с объектом, Предназначен для ввода информации, первичной обра-
159
структура УВК атомного энергоблока.
Рис. 4.12. Техническая
ботки информации от аналоговых и дискретных датчиков и передачи ее в вычислительный комплекс, а также для контроля параметров на аналоговых и цифровых вызывных приборах и сигнализации отклонений определенной части параметров от нормы. Информационный комплекс может работать как автономно, так и под управлением вычислительного комплекса, причем во втором случае все его устройства контроля, сигнализации и регистрации для оперативного персонала являются вспомогательными.
В состав информационного комплекса М-60 входят:
16 устройств коммутации, нормализации и преобразования, предназначенные для сбора информации от 1920 аналоговых датчиков, фильтрации, усиления, аналого-цифрового преобразования, выдачи информации по запросам, а также независимой передачи сигналов датчиков по вызову оператора на аналоговые показывающие приборы;
одно устройство коммутации на 2048 дискретных датчиков;
устройство управления, предназначенное для организации обмена данными между остальными устройствами, линеаризации нелинейных характеристик датчиков и масштабирования;
устройство выработки и памяти отклонений, предназначенное для формирования, запоминания и выдачи сигналов отклонения параметров от нормы оператору и в вычислительный комплекс (на рисунке не показано);
цифровые приборы, графические регистраторы и аналоговые приборы вызывного контроля с соответствующими устройствами вызова.
Комплекс М-60 принимает сигналы от первичных измерительных преобразователей (датчиков) с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0—5 мА, термопар и термометров сопротивления стандартных градуировок, датчиков постоянного тока, реостатных и дискретных датчиков.
Цифровой контроль параметров осуществляется на цифровых приборах с помощью клавиатуры с адресным вызовом. Каждый цифровой прибор индицирует адрес параметра, его значение, а также размерность. Вызов параметра на графический регистр производится с этой же клавиатуры.
Контроль определенной части технологических пара
11-1341
161
метров на аналоговых приборах осуществляется в комплексе М-60 с помощью клавиш (кнопок) с предметным вызовом, расположенных на мнемосхемах пультов управления. Около клавиш имеются сигнальные элементы, с помощью которых реализуется функция индивидуальной сигнализации отклонений параметров от нормы.
Вычислительный комплекс создан на базе двух ЭВМ типа М-7000 системы АСВТ или СМ-2 серии СМ ЭВМ. Использование двух ЭВМ позволяет резко увеличить показатели надежности системы по выполняемым функциям, обеспечить значительный объем оперативных и неоперативных расчетов, связанных с оптимизацией и в особенности с безопасностью работы блока, а также проводить работы по профилактическому обслуживанию и ремонту оборудования УВК при сохранении основных функций системы. В нормально функционирующей системе одна из двух ЭВМ выполняет функции оперативного контроля, сигнализации, регистрации основных оперативных расчетов, а также вырабатывает некоторые рекомендации операторам по ведению технологического процесса и управляющие воздействия. Вторая ЭВМ выполняет расчеты по более сложным программам, а также дублирует первую по выработке наиболее ответственных управляющих воздействий. При выходе из строя первой машины все ее основные функции автоматически принимает на себя вторая, частично прекращая выполнение неоперативных расчетов.
Каждая вычислительная машина включает в себя: процессор, оперативное запоминающее устройство, внешний накопитель на магнитных дисках, устройства быстрой печати (на рис. 4.12 не показаны) и устройства ввода-вывода, с помощью которых оператор вычислительного комплекса производит загрузку, отладку и контроль выполнения программ, ввод и изменение уставок и различных констант, дублирование программ на перфоленте. Для обеспечения обмена информацией между вычислительными машинами предусмотрена группа устройств межпроцессорной связи.
Связь с оперативным персоналом обеспечивается в АСУ с помощью устройства отображения информации на цветных электронно-лучевых индикаторах «Орион»1 и черно-белых индикаторах ДМ-2000, устройств печати и сигнализации.
1 См. гл. 3.
162
Устройства печати типа УПК выполняют функции периодической регистрации по вызову отклонившихся параметров, а также результатов различных неоперативных расчетов. Регистрация картограмм активной зоны реактора, определенной группы параметров, состояния технологического оборудования, последовательности срабатывания защит и блокировок и действий операторов в предаварийный период и в процессе развития аварии осуществляется устройствами быстрой печати типа УПП, на которых могут регистрироваться также результаты различных неоперативных расчетов.
Для заданного функционирования вычислительного комплекса и УВК в целом последний оснащен соответствующими средствами программного обеспечения, которое состоит из следующих основных частей:
общего программного обеспечения, включающего в себя библиотеку стандартных программ, трансляторы, операционную систему и т. д.;
программ организации функционирования, предназначенных для обеспечения связи с информационным комплексом и устройствами ввода инициативных сигналов, подготовки массивов данных для вывода на устройство отображения информации (УОИ) «Орион» и устройства печати, выдачи управляющих сигналов, диагностики состояния компонентов УВК и включения резерва;
технологических программ, с помощью которых производятся вычисление косвенно определяемых ядерно-физических, теплотехнических и технико-экономических показателей, расчеты уставок сигнализации в неноминальных режимах, автоматическая диагностика состояния технологического оборудования, измерительных каналов и контуров автоматического регулирования, оптимизация параметров работы объекта, выдача советов операторам, расчет управляющих воздействий при прямом цифровом управлении.
Важнейшим компонентом технической структуры АСУ атомным энергоблоком (см. рис. 4.11) являются средства управления и защиты (СУЗ) реактора, объединенные в специальную развитую систему, предназначенную для достижения безопасной устойчивой работы реактора во всех режимах, включая аварийные. В соответствии с жесткими требованиями по ядерной безопасности пуск и функционирование реактора без этой системьГзапрещены.
U*
163
Средства управления и защиты выполняют следующие основные функции:
измерение и контроль мощности и положения исполнительных механизмов;
вычисление и контроль времени удвоения мощности1, реактивности и относительного отклонения мощности;
автоматический и дистанционный пуск и вывод реактора на заданный уровень мощности и автоматическое регулирование мощности и температуры теплоносителя на выходе реактора с компенсацией реактивности;
автоматическая и дистанционная аварийная защита реактора;
сигнализация о состоянии системы и реактора; связь с другими подсистемами АСУ ТП блока.
Техническая структура СУЗ представлена на рис. 4.13. В ее состав входят комплексы средств подсистем измерения и контроля, управления, защиты. Измерение, контроль и регистрация мощности, а также вычисление времени удвоения мощности осуществляются в широком диапазоне (от 10~8 до 100% номинальной мощности), разделенном на три поддиапазона, в каждом из которых применяется определенный тип датчиков (счетчики нейтронов, импульсные и токовые ионизационные камеры) и вторичной аппаратуры. Для обеспечения повышенной надежности контроля в каждом поддиапазоне используются по три идентичных независимых канала, включающих в себя датчик и вторичную аппаратуру. Информация от устройств измерения и контроля поступает на логические устройства формирования аварийных команд, регуляторы мощности и температуры, а также на указатели, самописцы и сигнализаторы.
Функции автоматического пуска, регулирования и управления исполнительными механизмами выполняются подсистемой управления, включающей в себя аппаратуру автоматического пуска и регулирования мощности и температуры, а также управления регулирующими стержнями и компенсирующими пакетами, техническая структура которой приведена на рис. 4.14 и 4.15.
Пуск и регулирование обеспечиваются двумя регулирующими стержнями № 1 и 2 и компенсирующими пакетами (КП).
1 Время удвоения мощности — прогнозируемый интервал времени, в течение которого мощность увеличится в 2 раза.
164
g> Рис. 4.13. Техническая структура СУЗ реактора.
Рис. 4.14. Подсистема автоматического пуска и регулирования мощности и температуры.
Мощность реактора автоматически регулируется с помощью устройств автоматического пуска и регулирования температуры и мощности. Устройство автоматического пуска предназначено для автоматического пуска реактора до 0,1% и регулирования мощности от 0,1 до 10% номинального значения. Автоматический пуск осуществляется по сигналу, обратно пропорциональному времени удвоения, получаемому от устройств измерения и контроля, а автоматическое регулирование
Рис. 4.15. Подсистема управления.
мощности по сигналу от ионизационной камеры. Устройство регулирования температуры и мощности обеспечивает регулирование мощности от 10 до 100% номинального значения и температуры теплоносителя на выходе из реактора от 350 до 550°С.
Для обеспечения повышенной надежности предусмотрено резервирование регуляторов и безударный ввод резервного при выходе из строя работающего. Рабочие и резервные регуляторы воздействуют через логи-
167
ческие устройства на независимые регулирующие стержни через индивидуальные силовые устройства (электроприводы). При достижении стержнями автоматического регулирования путевых выключателей (верхнего или нижнего) производится автоматическое перемещение центрального температурного компенсирующего пакета (ЦТК) до тех пор, пока регулирующий стержень не возвратится в среднее положение. При достижении ЦТК концевых выключателей (верхнего или нижнего) подается сигнал через блоки группового управления на последовательное пошаговое перемещение компенсирующих пакетов. Дистанционное управление регулирующим стержнем производится с помощью логического блока управления, блока управления ЦТК и группой блоков индивидуального управления компенсирующими пакетами (КП).
Функция защиты реактора обеспечивается независимой подсистемой с помощью логических устройств формирования аварийных сигналов, воздействующих на отдельную группу из шести стержней аварийной защиты (см. рис. 4.13). В состав устройств формирования аварийных сигналов входят логические блоки формирования сигналов быстрой аварийной защиты (БАЗ) и медленной аварийной защиты (МАЗ). По сигналу БАЗ стержни аварийной защиты сбрасываются в активную зону реактора, по сигналу МАЗ они вводятся в активную зону с определенной скоростью. Сигнал БАЗ формируется при появлении одной из следующих причин: уменьшении времени удвоения мощности до 20 с; превышении мощности более чем на 20% заданного значения; уменьшении расхода теплоносителя через реактор на 20% уставки; отказах двух каналов контроля отклонения мощности, двух из трех однотипных каналов контроля мощности и времени удвоения, двух из трех расходомеров суммарного расхода теплоносителя через реактор; появлении аварийного сигнала из систем технологического контроля. Сигнал МАЗ формируется при наличии одной из следующих причин: выходе из строя двух регуляторов (резервного и основного), превышении мощности более чем на 15% заданного значения, уменьшении расхода теплоносителя через реактор на 15% установленного значения.
Для обеспечения повышенной надежности и помехоустойчивости подсистема защиты по трем независимым 168
g Рис. 4.16. Техническая структура системы управления ГЦН.
каналам осуществляет сбор и обработку логических сигналов от каждого особо ответственного параметра. Логические блоки БАЗ и МАЗ реализуют логическую функцию сложения по трем каналам и функцию выборки «два из трех». Блоки БАЗ и МАЗ дублированы и снабжены устройствами контроля и сигнализации неисправности, позволяющими оперативно проверять исправность системы защиты, включая датчик и цепи управления исполнительными органами.
Система управления и защиты реактора связана с УВК и другими системами управления блока. В УВКрэ СУЗ поступают сигналы мощности, времени удвоения мощности, положения регулирующих стержней и компенсирующих пакетов. От УВК предусмотрено воздействие на задатчики регуляторов мощности. В СУЗ поступают также сигналы от главного регулятора мощности из системы управления главными циркуляционными насосами (ГЦН) и сигналы аварийной защиты из системы технологических защит и блокировок.
Для обеспечения максимальной надежности в СУЗ используются технические средства контроля, построенные на элементах третьего поколения с широким использованием встроенного автоматического контроля исправности.
Система управления главными циркуляционными насосами (СУ ГЦН) предназначена для управления шестью насосами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя первого и второго контуров энергоблока во всех режимах работы, и включает в себя подсистемы вычисления расхода теплоносителя и шесть подсистем управления скоростью ГЦН первого и второго контуров. На рис. 4.16 показана техническая структура управления ГЦН первого контура (ГЦН1-1) и одним ГЦН второго контура (ГЦН2-1).
Система обеспечивает автоматическое изменение расхода в петлях первого и второго контуров в нормальных и аварийных режимах, в том числе при срабатывании аварийной защиты реактора, а также отключение петли, секции парогенератора, питательного насоса. При возникновении определенной ситуации происходит быстрое снижение числа оборотов насосов до заранее заданных значений. Выбор насосов, число оборотов которых снижается, новых значений оборотов и скорости снижения оборотов производится автоматически с учетом возник-170
шей ситуации. Система двухканальная с автоматическим безударным вводом резерва.
Подсистема вычисления расхода теплоносителя ПСВР реализована в виде аналогового вычислительного устройства, которое на основе уравнений гидравлики контуров и сигналов от тахогенераторов ГЦН вычисляет действительные расходы теплоносителя по первому контуру каждой из трех петель с погрешностью не более 3%. Работа подсистемы контролируется путем сравнения вычисленного суммарного расхода теплоносителя через реактор с замеренным.
Система автоматического регулирования (САР) энергоблока обеспечивает поддержание основных технологических параметров блока и выдачу управляющих воздействий в системы СУЗ и СУ ГЦН в диапазоне нагрузок 10—100%. В аварийных режимах (при срабатывании быстрой или медленной аварийной защиты реактора, останове одного из двух работающих питательных насосов, отключении ГЦН первого или второго контура, аварийном отключении петель, секций парогенераторов, турбогенераторов) САР переводит энергоблок из начального состояния в заданное конечное по установленному алгоритму с учетом выполнения ограничений по отклонениям отдельных параметров.
Система состоит из 12 связанных основных локальных подсистем и поддерживает в энергетическом режиме следующие параметры: мощность реактора и температуру теплоносителя на выходе из реактора (совместно с СУЗ), расходы теплоносителя в первом и втором контурах (совместно с СУ ГЦН), давление и температуру острого пара, температуру теплоносителя на выходе из парогенераторов, расход и давление питательной воды. Схема САР основных параметров блока (одной петли) показана на рис. 4.17.
Принятая для данного объекта программа регулирования мощности в энергетическом диапазоне предусматривает линейное изменение расходов теплоносителя в первом и втором контурах петель при постоянных перепадах температур теплоносителя на реакторе и парогенераторах в зависимости от нагрузки. Мощность блока при равномерном распределении нагрузки по петлям задается централизованно одним устройством — задатчиком тепловой мощности, который выдает в СУ ГЦН сигналы, пропорциональные заданным расходам теплоноси-171
Парогенератор
Л другим г петлям
\ От УВК
V____
Корректирующий прибор
Главный регулятор мощности
ГЦН
гцн
От ввк
СУ ГЦЯ1
сугцнг
ПСВР
[ тор
Задатчик
тепловой
мощности
От УВК
Теплообменник
От УВК
Регулятор давления
Турбина
Питательный насос
От УЬК
Отпил.
От УВК
.Регулятор питания вишиши
рующий прибор
Регулятор давления
К другим петлям
От УВК
Рис. 4.17. Схема системы автоматического регулирования основных параметров энергоблока.
теля в петлях. Температура теплоносителя на входе в реактор поддерживается постоянной благодаря стабилизации температур теплоносителя второго контура на выходе из парогенераторов.
Система может работать в режимах регулирования частоты и базовом. В режиме регулирования частоты главный регулятор мощности воздействует на задатчик тепловой мощности, сигнал которого обеспечивает изменение мощности реактора и равномерную нагрузку на отдельные петли объекта. При переходе к базовому режиму система регулирования мощности отключается (без каких-либо переключений в остальной схеме).
Для оптимизации работы и повышения надежности системы предусматривается автоматическое изменение схемы регулирования при срабатывании аварийных защит, автоматическое изменение заданий регуляторам по командам от УВК (супервизорное управление), диагностика работы основных контуров САР с помощью УВК и автоматическое отключение неисправных частей системы от исполнительных механизмов.
Системы дистанционного управления, контроля и регистрации ответственных параметров с помощью индивидуальных приборов, предупредительной и аварийной сигнализации, защит и блокировок не зависят от УВК и используют традиционные схемные и аппаратурные решения.
Контроль и управление основными технологическими системами осуществляются из центрального операторского пункта, включающего в себя два поста управления. С первого поста осуществляются контроль и управление реактором, первым и вторым контурами ГЦН, парогенераторами и некоторыми вспомогательными технологическими системами первого и второго контуров. Со второго поста осуществляются контроль и управление турбинами, генераторами, деаэраторами, питательными насосами, редукционно-охладительными установками и быстродействующими редукционно-охладительными установками, технологическими конденсаторами, техническим водоснабжением, общеблочным оборудованием и трубопроводами.
Аппаратура контроля, сигнализации и управления каждого из йостов располагается на щитовых панелях и секциях пульта. На первом посту предусматривается работа двух операторов, на втором посту одного. В цент
173
ральном операторском пункте используются следующие средства представления информации: электронно-лучевые индикаторы («Орион», ДМ-2000), аналоговые одношкальные приборы вызывного контроля типа АСК с предметным вызовом, индивидуальные аналоговые показывающие и регистрирующие приборы, цифровые приборы и графические регистраторы вызывного контроля с адресным вызовом, устройства цифро-буквенной регистрации.
Применяются также следующие виды и средства сигнализации:
технологическая — подсветка мнемознаков параметров, изменение цвета изображения параметра на экране, подсветка клавиш вызова информации на «Орион»;
аварийная и предупредительная — подсветка табло, расположенных на щитовых панелях;
индикаторы состояния запорной арматуры и механизмов, расположенные в мнемознаках или над ключами управления.
Мнемосхемы контроля и управления расположены на панелях пультов (основные технологические системы, требующие оперативного обслуживания) и щитовых панелях (требующие обслуживания в пусковых и вспомогательных режимах). Электронно-лучевые индикаторы и большинство аналоговых показывающих приборов индивидуального и вызывного контроля расположены на пультах управления.
Общий вид пункта управления энергоблоком приведен на рис. 4.18.
Основные технические характеристики управляющей вычислительной системы АСУ ТП атомного блока Белоярской АЭС
Число входов: аналоговых ....................................... 1920
дискретных........................................ 2500
в том числе инициативных........................... 480
число-импульсных.................................... 15
Число выходов на управление: кодовых............................................ 360
импульсных.......................................... 10
Число выходов на сигнализацию: групповых.......................................... 280
индивидуальных.................................... 370
измеряемых и вычисляемых параметров, контролируемых на .Орионах*...................................... 5000
174
Рис. 4.18. Общий вид операторского пункта управления атомным энергоблоком.
арматуры и механизмов, состояние котор к индицируется па „Орионах*................................... 820
параметров, контролируемых на аналоговых вызывных приборах ......................................... 230
аналоговых вызывных приборов..................... 50
4.3.	АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭТИЛЕНА
а)	Характеристика объекта управления
Как уже отмечалось, одной из основных тенденций в развитии современной технологии является переход к агрегатам и установкам большой мощности. Типичным примером такой установки в химической промышленности является комплекс агрегатов «Полимир» для производства полиэтилена методом высокого давления. Мощность его в 15 — 20 раз больше мощности других действующих в настоящее время установок того же назначения. Такой значительный рост производительности достигнут с помощью увеличения габаритов и изменения конструкции отдельных аппаратов установки, а также резкой интенсификации процесса полимеризации путем повышения давления и температуры в реакторе и применения эффективных инициаторов. Управлять такой установкой с помощью только традиционных средств контроля и автоматики оказалось невозможным. Изменения в технологии процесса привели к значительному росту количества перерабатываемой информации о ходе процесса, повысили требования к точности и надежности управления им и в конечном счете сделали необходимым создание развитой автоматизированной системы с применением средств вычислительной техники.
Основным технологическим процессом, реализуемым в установке «Полимир», является полимеризация этилена в двухзонпом трубчатом реакторе под высоким давлением. При этом получают полиэтиленовый гранулят. На рис. 4.19 представлена упрощенная схема процесса. Свежий этилен (газ) поступает на установку, где сжимается несколькими каскадами компрессоров до давления, необходимого для реакции. Затем к этилену добавляется инициатор (кислород или окислительные соединения), после чего газ поступает в трубчатый реактор, где и происходит полимеризация. Для управления температурным режимом работы реактор имеет специальные «рубашки», по которым циркулирует горячая вода. 176
Пройдя реактор, смесь дросселируется через специальный регулирующий клапан и через холодильник поступает к группе отделителей, где полимеризат отделяется от непрореагировавшего этилена. После этого расплав полимера направляется в гранулятор и полученный гранулят подается на дальнейшую переработку. Непрореагировавший при полимеризации этилен, выделившийся в отделителях, возвращается на компрессию.
Несмотря на сравнительно простую структуру технологического процесса, контроль и управление установ-
Рис. 4.19. Упрощенная схема технологического процесса производства полиэтилена.
кой получения полиэтилена является сложной задачей. Основные трудности решения этой задачи связаны со следующими причинами:
высокое давление в основных аппаратах установки (до 245 МПа);
необходимость вести технологический процесс вблизи границ его устойчивости и в связи с этим возможность взрывов даже при небольших отклонениях параметров процесса от их заданных значений;
большое число контролируемых параметров процесса и их малая инерционность.
Отметим, что современные установки для производства полиэтилена достаточно хорошо оснащены различными контрольно-измерительными приборами и средст-12—1311	177
вами автоматики, обеспечивающими автоматизацию отдельных участков процесса. Традиционные системы контроля и управления стабилизируют основные режимные параметры процесса на заданных значениях и дают оператору определенную информацию о переходных и стационарных режимах функционирования производства. Однако они обладают следующими принципиальными недостатками:
отсутствие компактного представления оператору информации для оценки им функционирования установки;
управление лишь отдельными операциями, а не установкой в целом, невозможность автоматического выполнения ряда важных для крупнотоннажных агрегатов функций: переход с режима на режим, стабилизация качества продукта, пуск и останов процесса и т. д.;
трудность модернизации технологии процесса и системы управления им при использовании традиционных средств автоматизации, так как это связано с серьезными капитальными затратами.
Отмеченные недостатки не имеют решающего значения для установок малой мощности, однако для «Полимир» как крупнотоннажного производства они приобретают принципиальный характер.
Управление процессом синтеза полиэтилена сильно осложнено возможностью возникновения цепной реакции разложения этилена в трубчатом реакторе. Такое разложение протекает с высокой скоростью, сопровождается выделением большого количества тепла, повышением давления и носит характер теплового взрыва. Кроме того, как видно из рис. 4.19, установка представляет собой цепочку последовательно соединенных аппаратов, жестко связанных между собой по нагрузкам и параметрам процесса. Отказ какого-либо из этих аппаратов приводит в большинстве случаев к выходу из строя всего цеха. Отсюда понятно, что такой технологический объект предопределяет высокие требования к надежности функционирования соответствующей АСУ.
б)	Функциональная структура АСУ
Основными функциональными задачами АСУ «Полимир» являются:
оперативный контроль хода технологического процесса, включая измерение основных показателей работы 178
установки — ее производительности и качества получаемого продукта;
протоколирование режимов работы установки;
автоматическое и автоматизированное управление основными параметрами процесса в различных режимах.
Для выполнения этих задач АСУ «Полимир» содержит традиционные локальные системы автоматики, осуществляющие измерение и стабилизацию основных параметров процесса, и ИВК, выполняющий централизованный сбор, обработку, представление информации и рекомендаций оператору, а также выработку управляющих воздействий на объект. Управление процессом ведется из центрального пункта, куда сведены сигналы от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров установки. Вся информация подвергается первичной обработке в ИВК и затем используется для выполнения алгоритмов контроля и управления процессом. Рассмотрим более подробно каждую из функций, реализуемых системой.
Цифровое измерение параметров выполняется по требованию оператора и дает ему возможность индикации текущих значений аналоговых параметров на цифровых показывающих приборах или запись их на графических регистраторах. Это позволяет оператору в любой момент получить необходимую информацию о состоянии и ходе процесса на отдельных участках производства. На цифровые приборы могут быть вызваны также значения расчетных параметров, определяемые с помощью ВК.
Индикация распределения температур дает картину (эпюру) температурного профиля реактора. На экране ЭЛИ высвечивается эпюра температур в реакторе и обеспечивается цифровая индикация максимальной или любой другой температуры по желанию оператора.
Сигнализация отклонений параметров от нормы помогает сравнивать значения параметров технологических процессов с установленными для них границами. Выход за эти границы сигнализируется на мнемосхеме с указанием номера параметра технологического процесса (технологического параметра), где произошло отклонение.
Протоколирование позволяет вести полный и достоверный контроль работы установки с помощью цифровой регистрации на печатающих устройствах, что освобождает операторов от трудоемкой работы по ведению 12*	179
записей в сменных журналах. В системе предусмотрена печать следующих протоколов:
производственного (печатаются средние значения основных параметров процесса за последний час);
технологического (фиксируется на перфоленте большая группа параметров с возможностью последующей распечатки информации на бланке для анализа);
группового (печатаются значения параметров одной или нескольких из 22 групп по вызову оператора для анализа работы определенного участка или агрегата с указанием времени, номера параметра, его символа и текущего значения);
пускового (регистрируются с периодом 5 мин значения основных параметров процесса, характеризующих пуск установки; печать осуществляется лишь в пусковых режимах, когда другие протоколы не печатаются);
отклонений (фиксирует выход параметров процесса за допустимые границы; осуществляется печать времени данного события, времени возвращения параметра в норму и максимальное значение параметра в период нарушения).
Расчет обобщенных показателей процесса основан на результатах непосредственного измерения параметров и позволяет представлять оператору сжатую информацию о функционировании установки. Вычисляются 12 различных обобщенных показателей ( с циклом расчета 5 мин); значения этих показателей выводятся на цифровые приборы по вызову оператора, а также на печать вместе с производственным протоколом. Примерами таких показателей являются производительность реактора, показатели качества получаемого продукта — плотности полиэтилена и его индекса расплава, перепад давления по длине реактора и др.
Функция исследования процесса заключается в сборе и простейшей обработке информации для анализа особенностей раооты установки. Эта функция имеет особое значение в связи с принципиальной новизной технологического процесса и активно используется технологами для поиска и отработки оптимальных режимов установки.
Управление работой реактора — одна из наиболее ответственных функций системы, включающая в себя стабилизацию давления в реакторе, создание при необходимости пульсирующих режимов его работы, плавный автоматический подъем или снижение давления в нем при 180
пуске (останове) и переходах с одного режима на другой, а также снижение давления по соответствующим программам при возникновении аварийной ситуации. Управление пуском установки заключается в автоматизированном переводе ее из нерабочего состояния в режим получения продукта требуемой марки; эта функция включает в себя периодический контроль состояния установки и основных измерительных цепей, сигнализацию и печать отклонений, а также автоматический подъем давления в системе до заданного значения.
Регистрация предаварийной ситуации заключается в непрерывной фиксации на скользящем интервале времени и в выдаче информации о значениях технологических параметров за определенный период: от момента, предшествующего аварии (за 10 мин), в момент аварии и в определенный интервал времени (1 мин) после нее. Эта информация используется для анализа причины аварии и выдается в виде графиков и таблиц.
Характерной особенностью АСУ «Полимир» является широкое использование математических моделей процесса в алгоритмах контроля и управления установкой. Применение таких моделей в расчетах, выполняемых в темпе с процессом, позволяет оперативно определить такие важные показатели эффективности работы установки, как производительность реактора и качество получаемого продукта.
в)	Техническая структура АСУ
Автоматизированная система управления установкой «Полимир» реализована на базе агрегатных средств вычислительной техники АСВТ. В АСУ можно выделить три функционально взаимодействующие технические подсистемы: информационную (ИП), вычислительную (ВП) и управляющую (УП). Для повышения надежности АСУ в делом в ней предусмотрена автономность выполнения информационных и управляющих функций. В нормальном режиме все три подсистемы функционируют совместно, а в случае появления каких-либо неисправностей в ВП две другие подсистемы могут функционировать автономно, позволяя таким образом избежать останова технологического процесса.
Состав технических средств АСУ «Полимир» показан на рис. 4.20. Связь ВП с объектом осуществляется через
181
автономную специализированную ИП по каналу прямого доступа. Информационная подсистема реализует также основные информационные функции и связана со средствами представления информации, графическими регистраторами, наборными полями для вызова параметров на цифровую индикацию и графическую регистрацию, а
Рис. 4.20. Состав технических средств АСУ «Полимир».
Гр —> графический регистратор; Пр — процессор; УПК — устройство печати; УВПЛ — устройство вывода перфоленты; У5П — устройство быстрой печати; ДМ — дисплейный модуль; ЦП — цифровой прибор; ЭП — эпюроскоп; УСО — устройство связи с объектом; УВвПЛ — устройство ввода перфоленты; ОЗУ— оперативное запоминающее устройство; РП — регистрирующие приборы.
также световыми табло сигнализации. Ко входам ИП подключаются датчики или нормирующие преобразова-
тели с унифицированным входным сигналом: Число аналоговых входов......................500
Число вычисляемых параметров,"принимаемых от ВП 400
Число графических регистраторов •............. 6
Число цифровых показывающих приборов..........12
Цикл опроса аналоговых сигналов, с............ 1
Вычислительная подсистема включает в себя ВК на средствах АСВТ, устройства ввода-вывода и межранговой связи. В состав ВК входят специализированный процессор, комбинированное запоминающее устройство, оперативное и постоянное запоминающие устройства. В составе средств ввода-вывода АСУ предусмотрены устройства алфавитно-цифровой регистрации, перфоратор и считыватель, пульт программиста и устройство подготовки данных на перфоленте. Вычислительная подсистема 182
выполняет все расчетные функции системы, а совместно с управляющей подсистемой также управляющие функции АСУ.
В состав управляющей подсистемы входят устройства кодового управления и ввода дискретной информации, а также главный регулятор. С их помощью ведется управление режимом работы реактора, выдаются рекомендации оператору установки по оптимальному управлению процессом, переключаются двухпозиционные органы при пуске установки и переходе с одного режима на другой. Главный регулятор представляет собой специализированное аналого-дискретное устройство, выполненное на микроэлектронной базе. Он полностью обеспечивает управление реактором в стационарном и переходных режимах и связан с ВК, что позволяет изменять задание главному регулятору от ВП.
г)	Программное обеспечение АСУ
В основу построения программного обеспечения АСУ установкой «Полимир» положен агрегатно-модульный принцип, позволяющий реализовать алгоритмы контроля и управления поэтапно и при необходимости вносить изменения в уже функционирующие программы.
Общее программное обеспечение системы дает возможность работать в следующих режимах функционирования ВК: подготовка программ, мультипрограммная работа в реальном масштабе времени, профилактический контроль и поиск неисправностей. В его состав входят средства автоматизации программирования (транслятор и редактор), управляющая и организующая системы, интерпретирующая система и библиотека стандартных подпрограмм, а также программные средства для контроля и диагностики состояния вычислительного комплекса.
Специальное программное обеспечение включает в себя программы первичной обработки информации (ПОИ) и потребительские программы, реализующие выполнение функций АСУ. Для большей гибкости система строится с унификацией внешних связей между отдельными ее компонентами. Программы ПОИ используют ряд таблиц или списков, в которых содержатся исходные данные, необходимые для работы отдельных программных модулей, обрабатывающих эти таблицы. Данные в таблицах легко доступны для изменений. Сами программные мо-
183
Рис. 4.21. Общий вид центрального пункта управления установкой «Полимир».
дули нельзя оперативно изменять, и по своему значению они аналогичны компонентам внутреннего программного обеспечения. Перечень конкретных пользовательских программ соответствует функциям АСУ, рассмотренным выше.
д)	Результаты внедрения системы
Разработка АСУ «Полимир» велась одновременно с созданием самого технологического процесса. Алгоритмы, программы и вновь разработанные для АСУ технические средства отрабатывались на специально созданном стендовом макете системы, который включал в себя вычислительный комплекс, аналогичный внедряемому па объекте, и комплекс устройств имитации входных сигналов. Это существенно ускорило разработку системы и позволило оперативно учитывать все возникающие в ее ходе изменения решений или исходных данных.
Вместе с тем одновременное создание технологического процесса и соответствующей АСУ дало возможность внести ряд изменений в сам процесс, улучшить управление им.
Автономность информационных функций АСУ, а также агрегатно-модульный принцип построения программного обеспечения системы, обеспечивающие возмож-184
ность поэтапного ее внедрения, существенно облегчили ее промышленное освоение. Отладка информационных и части управляющих функций АСУ была завершена до начала пусковых работ на установке «Полимир», что позволило использовать средства вычислительной техники для контроля, протоколирования и управления технологическим процессом в предпусковой и пусковой периоды освоения установки и благодаря этому ускорить завершение работ.
После включения в эксплуатацию пускового комплекса программ и освоения новых, более сложных задач по контролю и управлению процессом состав функций АСУ постоянно расширялся. Так, были освоены позднее достаточно сложные программы расчета производительности и качества получаемого продукта, программы анализа процесса и др.
Промышленная эксплуатация АСУ «Полимир» подтвердила правильность основных научных и технических решений, принятых при ее создании. Система после устранения ряда дефектов устойчиво работает в круглосуточном режиме, обеспечивая надежный контроль и управление технологической установкой. Как указывалось ранее, АСУ, являясь неотъемлемой частью установки «Полимир», обеспечивает возможность ведения технологического процесса на режимах вблизи границ устойчивости и без пульсаций давления в реакторе, что позволило увеличить рабочую кампанию агрегата и обеспечить получение более однородного продукта. Без развитой АСУ работа на этих режимах вообще невозможна.
Общий годовой экономический эффект от создания установки «Полимир» составляет 2,2 млн. руб. Доля экономического эффекта от внедрения АСУ в указанной цифре составила 25%, или 550 тыс. руб. при сроке окупаемости около 1,5 года.
Социальный эффект от создания АСУ состоит в коренном изменении характера труда оператора-технолога в результате облегчения управления объектом и освобождения его от рутинных трудоемких операций по ведению различных протоколов о ходе процесса.
Общий вид центрального пункта управления установкой представлен на рис. 4.21.
|85
4.4.	АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВЫПЛАВКИ КОНВЕРТОРНОЙ СТАЛИ
а)	Характеристика объекта управления
Технологический процесс выплавки конверторной стали является периодическим (непрерывно-дискретным) и состоит из ряда операций. В главный технологический агрегат — конвертор заливается чугун, загружается лом, подаются сыпучие материалы: охладители (железная ру-ра, окатыши) и шлакообразующие добавки (известь, известняк, шпат и др.). Сыпучие материалы (а также легирующие добавки и раскислители, подаваемые в ковш) подготавливаются заранее в расходных бункерах и подаются на каждую плавку через дозаторы; чугун и металлический лом загружаются в конвертор с помощью кранов. Через водоохлаждаемую фурму конверторная ванна интенсивно продувается кислородом. В результате в ванне активно окисляются и переходят в шлак или уносятся с газами углерод, сера, фосфор, марганец. Шлак сливается из конвертора, газообразные продукты окисления удаляются через газоотводящий тракт, тепло отходящих газов утилизируется. Продувка кислородом продолжается 15 — 20 мин, а весь цикл конверторной плавки, включающий в себя слив стали, подготовку конвертора и загрузку, 35 — 40 мин. Из конвертора сталь сливается в сталеразливочный ковш, где раскисляется и легируется.
Сталевозная тележка увозит ковш со сталью из конверторного отделения цеха в отделение разливки стали. Раньше в конверторных цехах сталь разливали в изложницы. В современных конверторных цехах обычно осуществляется непрерывная разливка на специальных установках непрерывной разливки (УНРС). Они позволяют исключить из цикла металлургического производства ряд весьма трудоемких операций: разливку стали в изложницы, «раздевание» слитков, их разогрев в нагревательных колодцах, обжатие разогретых слитков на блюмингах и слябингах.
В современном конверторном цехе (рис. 4.22) обычно устанавливаются три конвертора, два из которых находятся в работе, а третий в ремонте. Выплавка стали— циклический процесс; продолжительность одного цикла 186
*1угун из доменного цеха
5$ Рис» 4.22» Структура комплекса оборудования, применяемого при производстве конверторной стали».
обработки металла в конверторе составляет примерно 35 мин, количество выплавленной за один цикл стали (масса одной плавки) около 400 т; число плавок между ремонтами каждого конвертора (кампания) достигает 1000. Производительность цеха с такими конверторами составляет 8— 10 млн. т стали в год.
Основными исходными материалами для выплавки стали являются жидкий чугун (около 0,88 т на 1 т стали) и твердый металлический лом (около 0,22 т на 1 т стали). Дозирование необходимого для очередной плавки количества лома производится в отделении подготовки лома (скрапном отделении); загруженные лотки взвешиваются на платформенных весах; дозирование жидкого чугуна производится в отделении перелива путем наполнения из миксера чугуновозного ковша, установленного на весовую платформу. Совокупность оборудования, используемого для дозирования лома и чугуна (дозатора), на рис. 4.22 не обозначена. Дозатор чугуна, кроме платформенных весов, оснащен также установками для замера его температуры в ковше и отбора проб чугуна.
Доставка лома и чугуна в конверторное отделение и загрузка этих материалов в конверторы обеспечиваются скраповозными и чугуновозными тележками (последние транспортируются тепловозами), а также завалочными и заливочными кранами; совокупность этого оборудования (распределители металлошихты — на рис. 4.22 не показаны) оснащается крановыми весами и датчиками положения.
Процесс выплавки стали в конверторе включает в себя продувку металла кислородом и загрузку сыпучих материалов — извести, агломерата или окатышей, плавикового шпата и пр. Подача кислорода на продувку осуществляется из заводской сети через накопители кислорода машиной подачи кислорода. Металл из конвертора сливают в сталеразливочиый ковш, в который добавляют легирующие, раскисляющие и другие сыпучие материалы (ферросплавы) для доведения химического состава металла и его температуры до значений, определяемых заданием на плавку.
Определение химического состава чугуна, металла (в конверторе и ковше) и шлака производится в лаборатории, оснащенной специальным оборудованием — кванто-метрами. Пробы материалов доставляются в лаборато-188
рию по пневмопочте; приемные устройства пневмопочты располагаются около каждой установки для отбора пробы.
Выделяющийся из конвертора во время продувки газ (в основном смесь СО и СОг) удаляется по газоотводящему тракту, который оснащен комплексом приборов (масс-спектрометры, датчики температуры, перепада давления и др.), позволяющих определять состав и расход газов и контролировать взрывоопасность смеси газов.
Конечной задачей управления технологическим процессом выплавки стали в современном конверторном цехе является обеспечение выхода последовательности плавок (порций готовой жидкой стали) в заданные моменты времени с заданными значениями химического состава, температуры и массы.
Оперативные технологические решения по управлению процессом принимают мастер конверторного отделения (мастер производства) и операторы конверторов (дистрибуторщики). При этом мастер производства находится в основном на рабочей площадке у конвертора и руководит загрузкой жидкой и твердой металлошихты, замером температуры и отборами проб металла с конвертора и сталеразливочного ковша, сливом стали и шлака из конвертора, а также обработкой металла в ковше. Дистрибуторщик каждого конвертора из поста управления осуществляет управление продувкой ванны конвертора кислородом и подачей сыпучих материалов в конвертор.
Кроме мастера и дистрибуторщиков в состав оперативного персонала установки для выплавки стали входят сталевары, операторы миксеров (миксеровые), весовщики скрапного отделения, машинисты тепловозов, заливочных и завалочных кранов и сталевозных тележек. Этот персонал оперативно подчинен мастеру производства и выполняет его команды по управлению соответствующими агрегатами.
В управлении процессом выплавки стали участвует также неоперативный технологический персонал: руководство цеха (начальник, старший технолог и т. д.) п технологи центральной заводской лаборатории. Этот персонал вырабатывает долговременные технологические инструкции для оперативного персонала, определяет месячные, суточные и сменные задания по выпуску металла конверторный отделением цеха.
189
б)	Функционально-алгоритмическая структура
АСУ ТП выплавки стали предназначена для повышения эффективности производства жидкой стали путем обеспечения оперативного персонала информацией о параметрах технологического процесса на всех его этапах и во всех агрегатах установки, расчета и выдачи рекомендаций оперативному персоналу по управлению процессом, автоматического управления важнешими операциями технологического процесса (подачей кислорода на продувку, положением кислородной фурмы, подачей сыпучих материалов в конвертор и сталеразливочный ковш). Для этого система выполняет печать документов, обеспечивающих последующий контроль и изучение результатов процесса неоперативным технологическим персоналом, а также паспортизацию выпускаемой продукции, формирование и передачу информации о процессе выплавки стали в АСУ ТП непрерывной разливки и АСУ производством в цехе.
В соответствии с этими задачами функциональная структура системы (рис. 4.23) включает в себя следующие группы основных функций системы: измерительные, расчета оценок и прогнозов, расчета рекомендаций, управления, диалога и подготовки данных для других АСУ.
Измерительные функции используются для определения текущих значений параметров технологического процесса на основе результатов непосредственных измерений. Алгоритмы таких измерительных функций для периодических процессов отличаются от алгоритмов для непрерывных функций, поскольку в большинстве измерительных функций в АСУ периодическими процессами необходимо фиксировать не только результаты измерения, но и соответствующие им состояния процесса. Например, результат измерения веса чугуна на кране необходимо фиксировать в тот момент, когда ковш с чугуном подвешен к крану, кран неподвижен и амплитуда колебаний ковша не превосходит определенных значений. Следующий пример: измерение температуры жидкой стали в конверторе осуществляется с помощью термопары, погружаемой после повалки в горловину конвертора; измерение может продолжаться 1—2 мин, причем за это время термопара обычно сгорает. Кривая изменения термо-ЭДС на выходе термопары приведена на рис. 4.24. Некоторый подъем термо-ЭДС в конце кривой объясняло
л
Подготовка данных для АСУ ПРОИЗВОДСТВОМ и непрерывной разливкой
Оф объекта управления
Измерительные функции
Функции расчета рекомендаций
Функции расчета оценок и прогнозов (химический состав и температура стали)
функции замкнутого управления (управление фурмой, загрузкой сыпучих материалов, подачей кислорода)
ТГо6£ёк^*“ управления


и
Функции диалога и протоколирования данных (паспорт плавки, советы, протоколы продувки> нарушений и др.)
К постам управления (местные посты, ЦПУ конвертеров, пост мастера)
Рис. 4.23. Функциональная структура системы.
ется тем, что при извлечении термопары из ванны она проходит слой шлака, температура которого выше температуры стали. Информативным является значение термо-ЭДС только в точке А.
Таким образом, почти каждая из измерительных функций нуждается в дополнительных алгоритмах, учитывающих мгновенное состояние процесса и измерите явной системы. Поэтому функциональная структура АСУ ТП «Конста» включает в себя такие измерительные функции, как определение начала и продолжительности операции в конверторе, определение массы лома, чугуна, сыпучих материалов, суммарного и мгновенного расхода кислорода, температуры жидкого металла и чугуна в конверторе, чугуновозном и сталеразливочном ковшах с помощью термопары погружения, скорости окисления углерода в ванне конвертора, химического состава металла и шлака по анализу проб.
Функции расчета оценок и прогнозов сводятся к определению значений ненаблюдаемых переменных техноло
гического процесса расчетным путем, а также к прогно
зированию изменения переменных процесса в ходе плав
Рис. 4.24. Изменение ЭДС термопары, погружаемой в конвертор.
ки. Эти функции позволяют получить информацию о значениях таких важнейших технологических переменных, как температура и химический состав металла и шлака в ванне конвертора, в любой момент периода продувки. Расчет оценок и прогнозов осуществляется с помощью математической модели конверторного процесса и алгоритмов, разработанных на основе теории фильтрации и экстраполяции ненаблюдаемых компонен
тов случайного процесса. Математическими моделями этих процессов являются системы нелинейных случайных дифференциальных уравнений, описывающих различные физико-химические явления в агрегатах установки. Не-
которые неизвестные константы математических моделей определяются периодически путем статистической обработки данных о прошедших плавках.
192
Алгоритмы функций расчета рекомендаций и замкнутого управления процессами в установке построены с помощью метода «управление с предсказанием». Суть указанного метода заключается в том, что при расчете управляющих воздействий вместо случайных значений переменных состояния используются значения оценок и прогнозов этих переменных, полученные расчетным путем. При этом задача управления решается как детерминированная.
Функции диалога и протоколирования данных охватывают обработку запросов и вводимых данных, представление информации и печать технологических документов. Диалог организуется так, что его можно вести со следующих мест: с постов управления конверторами, с поста мастера производства (рабочая площадка конверторов), с постов управления дозированием лома и чугуна, из квантометрической лаборатории, с поста диспетчера цеха.
Все основные функции системы обладают тем свойством, что обязательно имеют непосредственный выход на объект, к технологическому персоналу или во внешнюю АСУ. Кроме основных функций, АСУ ТП выполняет еще ряд вспомогательных (обеспечивающих), предназначенных для получения определенных характеристик самой системы (надежности, приживаемости), облегчения работы персонала, обслуживающего систему, и контроля его работы. К этой группе функций относятся проверка готовности основных функций системы к работе, обнаружение неисправности оборудования системы, печать журнала работы системы.
в)	Особенности технической структуры и программного обеспечения
Технические средства, выполняющие (совместно со средствами программного обеспечения) перечисленный выше набор функций, образуют техническую структуру АСУ ТП (рис. 4.25). В ее состав входят датчики и первичные преобразователи, локальные системы автоматического управления, локальные измерительные системы, оперативно-диспетчерское оборудование постов управления и вычислительная подсистема. Техническая структура построена на базе серийных средств ГСП и АСВТ-М, за исключением отдельных устройств, разработанных 13—1341	193
специально для достижения необходимых метрологических и надежностных характеристик.
АСУ ТП содержит ряд локальных систем автоматического управления (САУ), уставки которых могут задаваться как от вычислительной системы, так и с ручных задатчиков, а именно САУ положением кислородной фурмы, САУ расходом кислорода, САУ дозированием сыпучих материалов.
Локальные измерительные системы обеспечивают получение, первичную переработку, передачу и (в необходимых случаях) представление информации о состоянии отдельных участков объекта. Использование некоторых локальных систем позволяет дополнительно уплотнить
Рис. 4.25. Техническая структура АСУ ТП.
ККЦ — кислородно-конверторный цех; Д — датчики; ИМ — исполнительные механизмы; ЛИС — локальные измерительные системы; ЛСЛУ — локальные системы автоматического управления; РСО — расширитель связи с объектом.
194
информацию, повысить уровень сигналов. Так, измерительные тензометрические системы включают в свой состав преобразователи, которые компенсируют гистерезис и температурные погрешности тензорезисторных датчиков и передают информацию в ЭВМ сразу в цифровом коде. Измерительные системы крановых весов снабжены приемопередающей аппаратурой для бесконтактной передачи информации о массе с движущихся объектов (кранов) в вычислительную систему. Сложные измерительные системы представляют собой масс-спектрометры, позволяющие проводить анализ отходящих газов, каждого конвертора по шести компонентам (СО, СО2, О2, N2, Н2, Аг) и анализ содержания аргона в кислороде дутья. В масс-спектрометрах предусмотрено периодическое эталонирование путем автоматической коррекции показаний при подаче проб эталонного газа. Эталонирование может производиться по сигналу от ЭВМ или по инициативе обслуживающего персонала.
Вычислительная подсистема (ВС) АСУ ТП функционирует в реальном масштабе времени и осуществляет сбор информации с локальных измерительных систем и датчиков, переработку собранной информации и выдачу сообщений и управляющих воздействий на собственные устройства индикации и регистрации, исполнительные механизмы, локальные САУ и оперативно-диспетчерское оборудование. Подсистема (рис. 4.25) является многомашинной двухуровневой, нижний уровень которой составляют три вычислительных комплекса (BRI, ВК2, ВК5), осуществляющих непосредственную связь с объектом и выполняющих роль уплотнителей информационных каналов. Вычислительный комплекс ВК5 устанавливается в квантометрической лаборатории и обеспечивает автоматическое поступление результатов химических анализов и формирование журнала работы квантометрической лаборатории. Вычислительные комплексы ВК1 и ВК2 осуществляют централизованный сбор аналоговой и дискретной информации с объекта как по внешним инициативным сигналам, так и по инициативе самой ЭВМ, сжатие собранной информации в специально организованные информационные массивы и передачу их на верхний уровень ВС, прием информации с верхнего уровня ВС и выдачу ее на объект (табло, мнемощит, задатчики локальных САУ, исполнительные механизмы). Для достижения необходимой надежности функционирова-13*	195
ния каналов связи ВС с объектом предусмотрено полное дублирование функций ВК1 резервным вычислительным комплексом ВК.2 (холодный резерв). Связь ВК1 (ВК2) с машинами верхнего уровня осуществляется через каналы быстрой передачи данных.
Верхний уровень ВС составляют вычислительные комплексы ВК2 и ВК4, связанные как с машинами нижнего уровня, так и между собой, что позволяет организовать их взаиморезервирование. Каждый из ВК верхнего уровня выполняет комплекс задач по одному из работающих конверторов. При выходе из строя одного из комплексов другой принимает на себя часть вычислительной нагрузки отказавшего ВК, сокращая собственный список задач при параллельной работе двух конверторов. Вычислительные комплексы ВКЗ и ВК4 осуществляют связь с машинами нижнего уровня ВС, выполнение набора задач (информационных, оценивания, управления) и диалог ВС с технологическим персоналом через машины нижнего уровня, пульты оператора и станции индикации данных (дисплей).
Для обеспечения надежности и достоверности функционирования АСУ ТП техническая структура предусматривает контроль и резервирование преобразователей, их эталонирование и тарировку, резервирование и взаиморезервирование частей ВС, резервирование функций системы, диагностирование работоспособности отдельных функций АСУ ТП и вычислительной подсистемы, выдачу операторам сигналов об отказах функций, а также формирование документов как для оперативного контроля за состоянием технических средств, так и для последующего анализа характера функционирования АСУ ТП за определенные периоды (плавка, смена, сутки).
Верхний уровень ВС строится на базе ВК М-6000 с максимальным объемом ОЗУ, включающим внешние накопители на магнитных дисках и скоростные устройства широкой печати. Вычислительные комплексы верхнего уровня соединяются между собой через дуплексные регистры (ДР) и каналы прямого доступа в память (КПДП). Состав ВКЗ и ВК4 позволяет организовать параллельное выполнение ряда задач на каждом ВК-
Все программное обеспечение системы разделяется на три группы программ: прикладные, управляющие и обеспечивающие. Прикладные программы выполняют обработку входных сообщений, расчет рекомендаций и прог-196
позирование технологического процесса, а также определение управляющих воздействий.
Распределение прикладных программ по ВК системы определяется ее технической структурой. В ВК первого уровня размещаются программы ввода и вывода информации на объект управления. Вычислительные комплексы второго уровня содержат все основные прикладные программы вычисления, выработки рекомендаций и управляющих воздействий на ход процесса.
Прикладные программы оформлены в виде программных модулей, выполнение которых координируется управляющими программами. К ним относятся операцион-
Рис. 4.26. Общий вид центрального пункта управления системы.
ная система, которая обеспечивает мультипрограммную работу ВК в реальном масштабе времени, и программа-диспетчер. Последняя анализирует технологическое состояние процесса и соответственно этому ставит программные модули в очередь на выполнение. Она управляет также обменом информацией между машинами п начальным пуском системы.
Программы, поддерживающие нормальное функционирование системы, объединены в группу обеспечивающих программ. К ним относятся программы диагностики и тестирования системы и программы обеспечения функционирования при наличии неисправностей. Про
197
граммы диагностики системы выполняются периодически в реальном масштабе времени в момент непиковой нагрузки, а также по требованию оператора системы. При этом проверяют готовность и работоспособность как отдельных устройств ВК, так и всей системы в целом. При обнаружении ошибок, возникших в системе, ВК использует диагностические программы для быстрого определения причин ошибок. Вычислительная машина выдает сообщение оператору системы о времени появления й характере неисправности, а также переводит систему (в зависимости от типа неисправности) в режим с ухудшенным качеством функционирования. При полном отказе одного из ВК система из режимов совета и управления переводится в информационный режим и продолжает так функционировать до полного восстановления системы.
Рассмотренная АСУ ТП эксплуатируется в настоящее время в кислородно-конверторном цехе № 2 Новолипецкого металлургического завода. Общий вид пункта управления АСУ представлен на рис. 4.26.
Глава пятая
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВАМИ
5.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОИЗВОДСТВА КАК ОБЪЕКТА -УПРАВЛЕНИЯ
Особенности автоматизированных систем управления производством определяются в основном двумя факторами: местом этих систем в общей иерархической структуре управления промышленным предприятием н свойствами самих производств как объектов управления. Как известно, системы управления производством занимают промежуточное положение в структуре управления предприятием и потому часто называются системами управления среднего уровня (средней ступени). Рассмотрим особенности таких систем на типичном примере АСУ производством аммиака.
Современное производство, входящее в состав химического или нефтехимического предприятия (комбината), характеризуется известной самостоятельностью в рамках общей системы управления предприятием. На рис. 5.1 показана укрупненная структура химического предприятия, основным звеном которого является производство аммиака — исходного продукта для синтеза различных азотных удобрений. Схема процесса производства аммиака приведена на рис. 5 2. Основным участком производства является цех конверсии. Исходное сырье — природный газ — увлажняется, нагревается и поступает в конверторы метана /, где происходит реакция его с па-198
ром, кислородом и двуокисью углерода. Газ, полученный в конверторах метана, поступает в конверторы окиси углерода 2, затем охлаждается в котлах-утилизаторах 3 и конденсационных башнях 4. Охлажденный конвертированный газ после цеха конверсии поступает в цех моноэтанол аминовой очистки (МЭАО), где очищается от двуокиси углерода, проходя через абсорберы 5, орошаемые раствором моноэтаноламина. Насыщенный углекислотой раствор затем регенерируется в аппаратах 6. Затем газ поступает в цех компрессии, где компрессорами 7 сжимается до давления примерно 15 МПа (при-
Рис. 5.1. Укрупненная структура химического предприятия.
мерно 150 кгс/см2) и направляется в цех медно-аммиачной очистки (МАО). Здесь в скрубберах 8 происходит отмывка газа от окиси углерода, а в скрубберах 9 от остатков углекислоты. Отработанный раствор после скрубберов 8 регенерируется в аппаратах 10. После цеха МАО газ снова направляется в цех компрессии, сжимается до давления примерно 30 МПа (примерно 300 кгс/см2) и поступает в цех синтеза аммиака, где смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь последовательно проходит вторичные конденсаторы //, вторичные сепараторы 12 и поступает в колонны синтеза 13. Частично прореагировавшая смесь направляется в первичные конденсаторы 14 и сепараторы 15, где отделяется жидкий аммиак. В состав производства аммиака входит также и цех разделения воздуха (на рисунке не показан), в котором воздух разделяется на кислород и азот, поступающий в цех синтеза аммиака.
Каждый из цехов управляется соответствующими низовыми системами (системами первого уровня). Цехи территориально рассредоточены (расстояния до диспетчерского пункта производства 0,5— 3 км). Производство имеет около 200 единиц основного технологического оборудования, ход технологического процесса определяют
199
примерно 700 параметров. Для производства в целом характерны крупнотоннажность и высокая стоимость выпускаемой продукции — аммиака, значительная взаимосвязь технико-экономических показателей производства с самыми низкочастотными возмущениями (период 5—20 ч), относительная стабильность параметров состояния отдельных агрегатов в течение нескольких суток.
В общем случае, например в химической и нефтехимической отраслях промышленности, производства довольно многообразны, их аппаратурное оснащение и структура зависят от назначения произ-
водства, вида исходного сырья, номенклатуры и характера продукции и т. п. Обычно все производства многоступенчаты и разнообразны по структуре (рис. 5.3). Для управления наименее сложны последовательные многостадийные производства. Как правило, для таких производств самой важной является задача оперативной координации нагрузок отдельных стадий — производственных участков. От того, насколько оперативно решается задача координации и согласования работы основных стадий, зависит ритмичность работы всего производства. Наличие на некоторых участках развязывающих емкостей, газгольдеров, промежуточных складов несколько облегчает их взаимное согласование.
Более сложны задачи управления производствами с обратными связями. В этом случае при координации работы последовательных участков приходится учитывать влияние обратной связи (обычно это неиспользованная часть сырья, возвращаемая на ранние стадии производства).
При необходимости получения заданных количеств разнородной продукции из общего сырья в производствах с разделяющимися потоками возникает задача координации нагрузок. Производству со сходящимися потоками необходимо обеспечить оптимальные запасы и своевременную подготовку сырья различных видов.
200
Для производств, характеризуемых последовательно-параллельными потоками, наряду с координацией работы последовательно расположенных участков актуальна задача распределения материала между параллельно действующими участками с учетом их производственных характеристик.
Компоновка технологического оборудования, территориальное размещение производственных участков и как следствие их оперативная и административная подчиненность сказываются не только на характеру задач управления, но и на таких сторонах системы как, \
Рис. 5.3. Возможные структурные схемы производства.
например, организация сбора информации. Большинство старых химических заводов отличается территориальной разобщенностью, большим числом параллельно включенных агрегатов, по-разному осуществляющих один и тот же технологический процесс, сложностью и разветвленностью технологических коммуникаций. Новые производства имеют обычно одну технологическую нитку, сравнительно малое число технологических стадий; их аппаратура собрана на относительно небольшой площадке.
Для рассредоточенных производств показательно наличие собственных информационных пунктов на удаленных друг от друга участках, а также использование телемеханических связей в качестве информационных каналов.
Стабильность связей между отдельными участками, стационарность протекающих в ннх технологических процессов во многом
201
определяют организацию и качество управления производством. Для производств» содержащих процессы с изменяющимися характеристиками, закономерность изменения которых учесть невозможно, надо решать задачу оперативной идентификации, а затем на основе полученных зависимостей осуществлять управление. При незначительном изменении характеристик задача идентификации снимается. В этом случае наладка производства проводится только однажды — при его пуске.
Большое разнообразие производств является следствием также широкого ассортимента (номенклатуры) выпускаемой ими продукции. Обычно крупнотоннажные производства выпускают продукцию одного-двух видов, более мелкие — десятки видов продукции в небольших количествах. Разнообразие выпускаемой продукции создает свои проблемы управления, которые существенно усложняются, если эти продукты используются на других участках данного предприятия. Кроме того, при разработке конкретной системы управления должны быть учтены и все те специфические требования, которые присущи каждому производству. Так, требования взрыво- и пожаробезопасности, степень механизации и автоматизации отдельных участков, сложившиеся организационные формы обслуживания и руководства производством в некоторых случаях являются не менее важными факторами при определении технической и экономической целесообразности создания для них АСУ.
Перечисленные факторы оказывают решающее влияние также на состав, структуру и функции автоматизированной системы управления производством при ее разработке.
5.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ
Системы управления современным крупным производством являются частным случаем больших систем управления и характеризуются обычно иерархической структурой, наличием производственных подсистем, участием людей в процессе управления и существенным влиянием внешней среды. Занимая среднее, промежуточное положение, эти системы должны воспринимать управляющие воздействия, идущие от вышестоящей системы управления предприятием, и, преобразуя их определенным образом, выдавать необходимые управляющие воздействия для непосредственной реализации в системы ннжнего уровня. При этом основные задачи управления производством — оптимальное распределение ресурсов и оперативная координация деятельности производственных единиц, входящих в его состав, в интересах общей экономической эффективности предприятия в целом. Естественно, что для решения этой задачи требуется весьма разносторонняя, достоверная и оперативная информация, достаточно полно характеризующая работу всего производства. Поэтому важным является ссздание необходимого информационного обеспечения системы упрагления.
В отличие от управляемых объектов нижней ступени (агрегатов, установок) современные производства обычно являются сложными организационно-техническими комплексами, включающими в себя не только технологическое оборудование, но и многочисленный производственный персонал. Поэтому наряду с задачами оперативного управления технологическими процессами система управления производством должна решать в том или ином объеме и задачи организационного характера (учет и анализ внутри производ-202
ства, организация хозрасчета в цехах и др.), а также задачи по обеспечению бесперебойного функционирования производства.
Основными функциональными задачами автоматизированной системы управления производством являются:
централизованный контроль хода технологического процесса, состояния основного оборудования и обобщенных технико-экономических показателей производства;
оперативная координация работы входящих в состав производства цехов, отделений и участков;
оптимизация производственного процесса путем определения и поддержания оптимального распределения и согласования нагрузок внутри производства;
выполнение всех ограничений, накладываемых на производство вышестоящей системой управления;
определение наиболее рациональных форм организационно-технической деятельности производства.
Возникающие на производствах задачи централизованного контроля во многом аналогичны таким же задачам систем нижних уровней Некоторые отличия состоят лишь в юм, что для АСУ средней ступени в большей степени требуется обобщенная информация о состоянии и ходе производства в целом, допускается больший период ее сбора и обработки, чаще применяются усредненные интегральные показатели технико-экономического характера. Особое значение приобретают вопросы коррекции значений отдельных параметров при изменении условий внешней среды, а также достоверность обрабатываемой информации и расчеты различных сводных показателей производства. Задачи оперативной координации и оптимизации производства являются наиболее характерными для данного уровня. Как правило, они решаются на основе математических моделей, составленных для отдельных участков и всего производства в целом.	'
Задачи оптимального управления производством в настоящее время являются наиболее сложными как по их научному содержанию, так и по практической реализации на действующих производствах. Известно, что основными факторами, определяющими результаты функционирования производства, являются объем выпуска продукции, ее себестоимость и качество. Любое значительное изменение режима производства приводит в общем случае к изменению всех трех показателей, причем улучшение одного из них часто сопровождается нежелательным изменением остальных факторов. Поэтому выбор того или иного управляющего воздействия обычно сводится к некоторому компромиссному решению между улучшением одних показателей и ухудшением других.
Очевидно, для любой системы управления производством должен быть выбран вполне определенный критерий управления. Строго говоря, выбор этого критерия должен быть согласован с общим критерием управления предприятием и являться по существу задачей вышестоящей системы управления. Однако в настоящее время обычно используют критерий минимума себестоимости (пли ее технологической составляющей) при заданном плановом объеме выпускаемой продукции или критерий максимума производительности при заданной плановой себестоимости. При этом в самой формулировке критерия управления фактически учитываются ограничения от вышестоящей системы управления.
Вернемся теперь к рассмотрению АСУ производством аммиака.
203
53. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И ОРГАНИЗАЦИОННАЯ СТРУКТУРЫ
Основные функции АСУ производством аммиака определяются целями (функциональным назначением) такой системы, которые укрупненио сводятся к следующему:
обеспечение стабильности производства;
выполнение технологических регламентов;
обеспечение планируемых показателей;
оптимизация производства.
Достижение перечисленных целей осуществляется с участием диспетчера (оперативного руководителя производства) путем его активного взаимодействия с техническими и программными средствами АСУ. При этом реализуются следующие функциональные задачи в соответствующих подсистемах:
обработка информации и подготовка решений («Контроль»);
анализ и принятие решений («Анализ»);
реализация решений («Управление»).
Таблица 5.1
Группа функций.	Состав группы
Контроль производства и оборудования	Контроль значений технологических параметров Контроль отклонений параметров Контроль состояния оборудования
Контроль рассчитываемых показателей	Контроль объема выработки и .качества продукции Контроль потребления сырья и энергоресурсов Контроль косвенных показателей
Учет	Контроль отклонений оперативных Контроль производства по учетным Учет производства за смену, сутки Хозрасчет производства и отдельных участков
Анализ ситуаций и оптимизация	Координация нагрузок при изменении состава оборудования Координация материальных потоков Оптимизация Анализ технологических ситуаций Адаптация математических моделей
Подготовка информации для других систем	Расчет показателей технологических процессов Расчет и анализ ТЭП участков Подготовка информаций для руководства предприятия Подготовка информации для вышестоящих систем
204
Ц Рис. 5.4. Функциональная структура АСУ.
Основные группы функций рассматриваемой системы: контроль технологических параметров и состояния оборудования, контроль рассчитываемых показателей, учет, анализ ситуаций и оптимизация, подготовка информации для других систем. Состав групп функций приведен в табл. 5.1.
Обобщенная схема функциональной структуры автоматизированной системы управления производством аммиака, отражающая взаимосвязь ее основных функций, показана на рис. 5.4. Функциональная подсистема анализа и принятия решений реализуется обычно с участием человека-диспетчера на основе информации, поступающей от подсистемы «Контроль», и рекомендаций, формируемых автоматически. Реализация решений (подсистема «Управление»)
Рис. 5.5. Организационная структура АСУ производством аммиака
осуществляется путем передачи на участки производства (цехи, отделения) команд, распоряжений, результатов расчетов.
Упрощенная схема организационной структуры рассматриваемой АСУ, приведенная на рис. 5.5, отражает наличие выше- и нижестоящего уровней в иерархической структуре управления производством. Взаимосвязь диспетчера с оперативным персоналом ниже- и вышестоящего уровней осуществляется как с помощью технических средств АСУ, так и средствами телефонной и громкоговорящей связи.
Рассмотрим более подробно различные виды обеспечений АСУ химическим производством.
5.4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Основными компонентами технического обеспечения рассматриваемой АСУ являются вычислительный комплекс, устройство связи с объектом и устройство связи с диспетчером. Выбор технических 206
средств определяется указанными выше требованиями организации сбора и обработки информации с территориально рассредоточенных участков производства, а также необходимостью автономной (без вычислительного комплекса) реализации части функций.
Вычислительный комплекс обеспечивает обработку информации, выдачу результатов (рапорты, протоколы, сводки) на устройство печати, решение задач управления н оптимизации. Применяемый в системе типовой вычислительный комплекс (М-6000 АСВТ-М) через устройство связи с диспетчером обеспечивает сигнализацию режима работы ВК, отклонений расчетных показателей, аналоговую регистрацию значений расчетных показателей по запросу диспетчера, автоматическую и по запросу диспетчера индикацию на экране дисплея расчетных показателей и рекомендаций, вызов расчетных показателей на регистрирующие приборы и станции индикации данных.
Устройство связи с объектом обеспечивает сбор информации с участков производства, ее предварительную обработку, передачу и воспроизведение на устройствах диспетчерского пункта. В качестве УСО в АСУ используется система телемеханики ТМ-301, осуществляющая сбор информации с шести контролируемых пунктов (КП) и передачу ее в пункт управления (ПУ). Аппаратура ПУ включает в себя специальное устройство связи с ВК, позволяющее реализовать обмен информацией между системой ТМ-301 и ВК М-6000. Связь между аппаратурой ПУ и каждым КП осуществляется по двухпроводным линиям связи.
Возможности ТМ-301 по передаче информации используются в данной АСУ следующим образом: число параметров, передаваег мых с КП на ПУ: аналоговых — 351, позиционных — 320, интегральг ных — 98; число пультов ручного ввода—10; число параметров, передаваемых с ПУ на КП для регулирования (кодового), — 48|, цифровых советов — 27, служебных команд — 170.	*
Кроме функций передачи информации, ТМ-301 осуществляет: сигнализацию отклонений основных технологических параметров от нормы и сигнализацию состояния оборудования на мнемосхеме; регистрацию основных технологических параметров на аналоговых приборах непрерывно (16 приборов) и по вызову (4 прибора);
цифровую индикацию значений технологических параметров; аналоговую индикацию уровней в емкостях продуктов.
На пункте управления находятся щит сигнализации, пульт диспетчера, регистрирующие и видеотерминальные устройства. Отдельные участки производства изображены на мнемосхеме планшетами, выделяющимися по цвету от общего фона панели» На- планшетах размещены табло сигнализации состояния оборудования, и отклонений технологических параметров, показывающие приборы. В качестве регистрирующих и видеотерминальных устройств используются печатающие машинки «Консул-254» и станция индикации данных СИД-1000.
Техническая структура АСУ показана на рис. 5.6, иллюстрирующем взаимосвязи между основными элементами технических средств.
5.5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Укрупненная информационная структура АСУ (рис. 5.7) характеризует взаимосвязь входных и выходных информационных массивов. Собираемая с объекта управления исходная информация подвергается переработке в информационно-упрявляющей части си-
207
Рис. 5,6. Техническая структура АСУ.
стемы. В результате формируются три основных массива информации: первичная, вторичная и управляющая. Первичная информация состоит преимущественно из данных, поступающих от УСО (минуя ВК). На основе главным образом этой информации реализуются функции контроля работы объекта управления. Последующая обработка информации связана с расчетом показателей (в том числе
Входные массивы Функциональные подсистемы
Исходная информация от объекта управления
Плановые задания по выработке и качеству продукции
График ремонта оборудования
я 1
। График отгрузки продукции
L______/..... ............
Рис. 5.7. Информационная структура АСУ.
ТЭП) и анализом технологических ситуаций. В результате формируется вторичная информация (и частично управляющая). Решение задач оптимального управления объектом позволяет сформировать-управляющую информацию.
Количественные характеристики массива исходной информаци» приведены ниже.
Технологические параметры	Число параметров
Температура.................................. 35
Давление .................................... 33
Расход..................................... 1С0
Концентрация и содержание	продуктов	150
Уровень..................................... 27
Расход электроэнергии........................ 55
Показатели отгруженной продукции	. .	49
Вторичная информация (расчетные показатели) делится на две группы ТЭП: оперативные и неоперативные (учетные). К оперативным ТЭП относятся показатели, рассчитываемые каждые 5, 15 и» 60 мин. Группу неоперативных ТЭП составляют итоговые показатели работы производства или его участков (цехов), за смену, сутки» и с начала суток. По каждому из участков рассчитываются 50— 100 ТЭП, а всего по производству их вычисляется более 500.
Количественные характеристики рассчитываемой информации^ выводимой из ВК на различные средства ее представления, приведены ниже.
14—1341	20£>
Форма представления информации	Число показателей
Аналоговая регистрация...................... 17
Алфавитно-цифровая индикация по вызову ................................... 14
Алфавитно-цифровая регистрация	. . .	244
Алфавитно-цифровая регистрация с признаком отклонения........................ 417
Математическое обеспечение АСУ производством аммиака представляет собой совокупность алгоритмов, с помощью которых реализуются группы функций контроля рассчитываемых показателей, учета, анализа ситуаций и оптимизации, подготовки информации
Рис» 5.8. Алгоритмическая структура АСУ. 210
для других систем. Обобщенная алгоритмическая структура АСУ показана на рис. 5.8.
В ней можно выделить две группы алгоритмов: информационные (содержат алгоритмы первичной обработки информации и расчета показателей, в значительной степени аналогичные соответствующим алгоритмам АСУ технологическими процессами и агрегатами) и управляющие (включают в себя алгоритмы, в значительной степени специфичные для АСУ химическими производствами).
Следует отметить, что каждый из указанных на рис. 5.8 алгоритмов в свою очередь может быть представлен более детальной алгоритмической структурой, необходимой, в частности, для составления задания на программирование. Покажем это на примере алгоритмов первичной обработки и расчета одного показателя из 500, вычисляемых в системе. При этом для простоты выберем показатель, вычисляемый по исходным данным, получаемым от трех автоматических датчиков (для вычисления таких показателей, как себестоимость, часто бывает необходима информация от 5—100 датчиков). Упрощенная блок-схема названного алгоритма приведена на рис. 5.9. Блоки 1—3 осуществляют фильтрацию исходной информации (текущих значений расхода, давления и температура пара) от высокочастотных помех. В блоках 4—6 по выходным сигналам датчиков определяются истинные значения технологических параметров. Для давлений зависимость измеряемой величины от сигнала датчика обычно линейна, для расходов и температур соответствующие зависимости, как правило, нелинейны.
Если расход пара измеряется по перепаду давлений на диафрагме, а фактические параметры пара отличаются от расчетных, возникает погрешность, для устранения которой вводят специальную коррекцию (блок 8) по результатам расчета плотности пара (блок 7). Полученный объемный расход пара используется в блоке 9 для расчета массового расхода, по которому определяется расход тепла. Все показатели, вычислявшиеся в блоках 8—10, были «мгновенными». В блоке 11 соответствующие «мгновенные» значения усредняются на часовом интервале. Среднечасовые значения расхода тепла пара в блоке 12 интегрируются на интервале смены. В блоке 13 проверяется факт отклонения сменного расхода тепла от планового значения.
Рассмотрим коротко алгоритмы второй группы: оптимальной стабилизации технологического режима, статической оптимизации и идентификации модели обтэекта, анализа производственных ситуаций. Примером алгоритма оптимальной стабилизации может служить автоматическое регулирование соотношения азот — водород, осуществляемое ВК путем выдачи рассчитанных воздействий на задатчики локальных контуров стабилизации расходов управляющих параметров. Решение задачи оптимизации производства требует знания модели объекта, наличия алгоритма поиска экстремума функции цели (критерия) и методов адаптации модели объекта. Модель объекта и алгоритм оптимизации построены известными методами. Для коррекции параметров модели объекта £ системе используется специальный итеративный алгоритм.
Для решения задачи управления производством в целом разработан алгоритм анализа производственных ситуаций, включающий алгоритмы классификации и управляющие. Задачей алгоритма классификации является "отнесение состояния производства к тому или иному классу ситуаций. Каждый класс характеризуется областью
14
211
значений некоторых переменных и требует однотипных управляющих воздействий. Алгоритм классификации осуществляет анализ ^наиболее существенных переменных процесса. Управляющие алгоритмы ликвидации нарушений технологического режима и максими-зации^ нагрузки «узкого места» позволяют определить допустимые воздействия и анализируют их эффективность. В результате формируются управляющие воздействия, которые выдаются в виде рекомендаций по ведению процесса диспетчеру производства.
Задача оптимального управления, решаемая в данной системе, А общем виде формулируется как задача математического программирования. Ее решение традиционными методами затрудняется ря-
Фильтрация текущего значения расхода пара-
Фильтрация текущего значения температуры пара
Фильтрация текущего значения давления пара
1
г
3
Т
Масштабирование 6
t __________
| Масштабирование 4 Масштабирование 5
коррекция объемного расхода пара по плотности
Расчет плотности пара
(Расчет массового расхода лара
............ I
Расчет расхода тепла пара
IG
|Усреднение на часовом интервале
Нет
&онец
часа
Интегрирование на интервале смены
12
Нет
Да
Конец
смены
7
Расчет отклонении от плана
Коиех;
ЗРис. 5.9. Пример блок-схемы алгоритма первичной обработки и расчета показателей.	*
S12
дом факторов (большая размерность, низкая точность некоторых моделей и т. д.). Эффективное решение задачи возможно в два этапа при использовании относительно простых алгоритмов, учитывающих специфику объекта управления. Сначала выполняются действия, ограничивающие область изменения и число переменных, а затем осуществляется более «тонкое» управление — оптимизация. На каждом этапе используются соответствующие модели объекта. На практике первый этап заключается в индентификации ситуации в текущий момент времени и отнесении ее к одной из областей
Рис. 5.10. Состав программного обеспечения АСУ производством аммиака.
состояний производства, которым соответствуют определенные классы управляющих воздействий. На втором этапе путем изменения параметров оптимизации осуществляется минимизация затрат. В зависимости от принадлежности текущего состояния процесса к тому или иному классу ситуаций используются различные аналитические выражения, оптимизация ведется по разным наборам управляющих параметров и т. д.
Назначение программного обеспечения рассматриваемой АСУ производством' состоит в реализации функций АСУ, возлагаемых на ВК, и поддержании работоспособности ВК и ПО. Состав ПО приведен на рис. 5.10. Общее программное обеспечение включает в себя средства автоматизации программирования, операционную систему, библиотеку стандартных программ и тестовую систему. Помимо средств, поставляемых в комплекте с ВК, общее программное обеспечение содержит элементы, связанные с особенностями технической структуры и ^функций АСУ. К таким особенностям в данном случае относятся использование в качестве УСО системы телемеханики (ТМ-301) и наличие инициативных заявок на исполнение различных программ.	; L
213
Специальное программное обеспечение данной системы включает в себя программы обслуживания инициативных заявок, ПОИ и расчета показателей (РП), формирования выходных массивов, а также программы, реализующие функции управления объектом. Программное обеспечение строится в виде нескольких трехуровневых систем: модуль — программа — комплекс программ.
Основные элементы программного комплекса ПОИ и РП: библиотека модулей ПОИ и РП и интерпретатор. Библиотека модулей презназначена для выполнения наиболее употребительных операций обработки аналоговых сигналов, поступающих от системы сбора данных. Интерпретатор является служебной программой, обеспечивающей требуемую обработку данных. Задание на обработку записывается в специальных таблицах, для заполнения которых не требуется квалификации программиста. Интерпретатор осуществляет дешифровку таких таблиц, определяет адреса данных и обеспечивает исполнение модулей в требуемой последовательности.
Рассмотрим вопросы синтеза программного обеспечения АСУ производством аммиака на примере программы алгоритма первичной обработки и расчета показателя, структура которого была приведена на рис. 5.9. Для составления программы этого алгоритма необходимо задать (доопределить) его структуру и параметры. К числу вопросов, требующих решения при разработке даже такого простого алгоритма, относятся:
выбор частоты (дискретности) опроса технологических пара-’ метров;
« оценка целесообразности фильтрации; если уровень помех таков,, «что фильтрация необходима, следует выбрать один из нескольких возможных методов и задать соответствующие параметры;
1 оценка необходимости коррекции расхода пара по плотности; .в некоторых случаях фактические параметры среды Меняются мало ; и близки к расчетным, и тогда, очевидно, можно существенно упро-’ стить алгоритм за счет исключения блоков 2, 5, 5, б, 8 (см.
рис. 5.9);
определение зависимостей, по которым ведутся вычисления в блоках 4—7, 10 (обычно это делается путем аппроксимации соответствующих таблиц);
выбор оптимального в некотором смысле алгоритма усреднения. Следует также отметить, что вопросы выбора частоты опроса, методов фильтрации, усреднения взаимосвязаны, поэтому решать их надо в комплексе.
После того как все необходимые зависимости найдены, выбор методов и параметров сделан, т. е. каждому блоку поставлена в соответствие определенная формула, возможен переход к следующему этапу — программной реализации алгоритма. При составлении программы необходимо учитывать следующее:
первые шесть блоков могут исполняться в произвольном порядке (это типичный пример параллельных вычислений, которые в многопроцессорных комплексах могут выполняться одновременно);
'1стод фильтрации, трижды используемый в этой программе, с целью сокращения объема памяти можно выделить в отдельную подпрограмму;
программа должна содержать счетчики циклов расчета (на интервале 1 ч) и часов (на интервале смены); счетчики операции усреднения и интегрирования требуют начальной установки значений, которая может быть осуществлена с пойощью специальной
214
программы запуска, исполняемой перед первым вызовом программы обработки;
операции «вход в программу» и «выход из нее» должны оформляться в соответствии с используемой операционной системой;
входными переменными для программы обработки являются текущие значения расхода, температуры и давления пара, плановое значение расхода тепла пара за смену. Результатами вычислений являются текущее, усредненное и интегральное значения расхода тепла пара, отклонение тепла за смену от планового значения (в абсолютном виде и в процентном отношении).
Рассмотренный пример показывает, что, хотя некоторые из алгоритмов контроля и управления производством относительно просты, задача их программной реализации, как правило, достаточно трудоемка и всегда требует тщательной всесторонней проработки. Только при этом условии можно рассчитывать на то, что применение ЭВМ в составе АСУ производством (как, впрочем, и любой другой АСУ) будет эффективным и жизнеспособным.
Глава шестая
ИНТЕГРИРОВАННЫЕ АСУ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЯХ
6.1.	СТРУКТУРА ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
Чтобы яснее понять отличительные особенности и место АСУ технологическими процессами и производствами в общей иерархии управления объектами народного хозяйства, рассмотрим кратко некоторые основные понятия и примеры последних достижений в области АСУ на промышленных предприятиях. Каждое такое предприятие— это обособленная социально-экономическая единица народного хозяйства, занятая выпуском определенной продукции и характеризующаяся производственно-техническим, организационным, экономическим единством и оперативно-хозяйственной самостоятельностью. Предприятие имеет необходимые кадры, материально-технические и денежные ресурсы для осуществления законченного производственного процесса. Обычно предприятие состоит из ряда подразделений, участвующих в выпуске продукции (основные производства и цехи), а также вспомогательных производств, складов, служб и функциональных отделов (рис. 6.1).
Рассматривая предприятие как объект управления, можно установить наличие 'многочисленных внешних и внутренних связей. 'Внешние связи определяются местом промышленного предприятия в народном хозяйстве. Упрощенная структура системы «народное хозяйство — предприятие» приведена на рис. 6.2. Она показывает, что нормальное функционирование предприятия возможно лишь при наличии необходимых связей между производством и снабжением (поставщиками), производством и денежными средствами, производством и v реализацией (сбытом) готовой продукции. При этом снабжение должно быть обеспечено денежными средствами, поступление которых зависит от реализации готовой продукции, т. е.
215
9И
Рис. 6.1. Общая структурная схема промышленного предприятия.
после получения готового товарного продукта, а реализация возможна лишь по окончании производственного цикла. Общее число таких внешних связей у современного промышленного предприятия достаточно велико; так, число поставщиков может достигать сотен, а потребителей 2000 и более; номенклатура потребляемых материалов на отдельных предприятиях насчитывает тысячи наименований.
Внутренние связи определяются достаточно сложной совокупностью производственных, технико-экономических, административно-хозяйственных и общественно-социальных отношений, существующих на каждом предприятии. Важная роль в управлении предприятием принадлежит функциональным отделам — производственному, плановому, труда и заработной платы, бухгалтерскому, снабжения,
Рис. 6.2. Упрощенная структура системы «народное хозяйство — предприятие».
сбыта, финансовому, главного механика, главного энергетика. Круг задач, стоящих перед ними, широк и разнообразен, а их специфика проявляется в том, что эти отделы находятся на стыке двух потоков информации: один идет сверху — от вышестоящих инстанций, другой снизу — от технологических производств. Большие объемы перерабатываемой информации, сложность задач и многообразие возможных ситуаций обусловливают трудность принятия этими отделами правильных и оперативных решений. Наиболее часто применяемая на большинстве предприятий организационная структура с некоторыми упрощениями представлена на рис. 6.3.
А Автоматизированные системы управления, создаваемые в настоящее время для управления промышленными предприятиями, представляют собой в общем случае целую совокупность систем (или подсистем) различной сложности и назначения, объединенных в единую иерархическую автоматизированную систему управления. При этом системы нижних уровней, обладая определенной самостоятельностью, подчищены системам более высокого уровня или ранга. Строго говорй, объектом управления для такой системы является все промышленное предприятие в целом, т. е. комплекс основных н вспомогательных производств, общезаводские транспортные и энергетические службы, материально-технические и финансовые 217
Рис. 6.3. Организационная структура управления промышленным
предприятием.
средства предприятия, кадры и т. д. При этом система (подсистема), занимающая самый верхний уровень в общей иерархии управления предприятием, обычно не решает задач определения технологических режимов работы конкретного оборудования (агрегатов или установок, транспортных средств' и даже отдельных производств); здесь определяются лишь общие, укрупненные показатели их работы— задания на выработку продукции, нагрузки производств, значения общих входных (и выходных) потоков, отдельные качественные и стоимостные показатели и т. п.
Напомним, что под уровнями иерархии подразумеваются:
первый или нижний уровень (установки, агрегаты, в отдельных случаях цехи), на котором, главной задачей является управление технологическим процессом;
второй или средний уровень (крупные цехи, производства, заводы, входящие в состав предприятия), на котором основными задачами являются оперативная координация работ отдельных производственных единиц, распределение нагрузок между ними н ДР-;
третий или верхний уровень, который обеспечивает планирование производственной и административно-хозяйственной деятельности предприятия.
В соответствии с ГОСТ автоматизированной системой управления предприятием (АСУП) называют АСУ, предназначенную для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и (или) его самостоятельных частей на основе применения экономико-математических методов и вычислительной техники. Другими словами, под термином АСУП в большинстве случаев понимается автоматизированная система (подсистема) управления предприятием на его верхнем уровне. Поэтому в дальнейшем ’будем обозначать АСУ верхнего уровня иерархии управления промышленным предприятием именно как АСУП, оставляя для автоматизированной системы управления предприятием в целом (включая также нижние уровни иерархии) термин интегрированная АСУ предприятием.
Проблема создания автоматизированной системы управления современным промышленным предприятием относится к числу весьма сложных и трудоемких. Как и любая другая автоматизированная система, АСУП предназначена для длительного функционирования с возможностью ее модернизации, дальнейшего развития и замены отдельных частей системы (подсистем, функциональных задач и др.). При создании АСУП должны быть учтены требования к структуре АСУП и организации ее функционирования, перечень функциональных задач и периодичность их решения, режим работы комплекса технических средств '(односменный, двухсменный, круглосуточный) и условия их эксплуатации, требования совместимости системы с АСУ других уровней (например, с АСУ технологическими процессами, отраслевыми АСУ и т. п.). технико-экономическая эффективность системы.
Вследствие сильно взаимосвязанности различных показателей деятельности предприятия определение и формализация общего критерия управления в АСУП в настоящее время являются достаточно сложными. Наиболее часто в качестве критерия управления для АСУП принимается прибыль предприятия за планируемый период (год). Максимизация этого критерия при учете остальных
219
показателей в виде соответствующих ограничений служит формализованной целью работы предприятия.
Как уже отмечалось, на современных промышленных предприятиях в последние годы стали создаваться интегрированные автоматизированные системы управления (ИАСУ), представляющие собой органичное объединение нескольких АСУ технологическими процессами и производствами между собой и (или) с АСУ организационно-производственными службами предприятия (подсистемами АСУП). Такие интегрированные системы характеризуются прежде всего расширением своих функциональных возможностей и усложнением применяемого комплекса технических средств, что придает таким системам новые качества и прежде всего повышение общей эффективности управления. Отличительной особенностью интегрированных АСУ в масштабе предприятия является наличие тесного* взаимодействия отдельных систем (подсистем), охватывающих все стороны его деятельности (управление технологическими процессами, оперативное управление основным производством, решение административно-коммерческих задач и пр.) на основе единых принципов и системного подхода.
Различают следующие основные формы интеграции:
функциональная, обеспечивающая единство целей, совокупность согласованных критериев управления и взаимодействие реализуемых системой функций;
программно-алгоритмическая, предусматривающая наличие взаимосвязанного комплекса моделей, алгоритмов, операционных систем и прикладных программ;
информационная, обеспечивающая возможность создания банка данных, базирующегося на единой системе накопления и обновления информации;
техническая, при которой реализуется применение многомашинных комплексов, сетей ЭВМ и пр.;
организационная, обеспечиваемая рациональным сочетанием возможностей персонала и техники в едином человеко-машинном комплексе, четким распределением задач, прав и обязанностей между участниками процесса управления, находящимися на всех уровнях иерархии.
Особенно важное значение интегрированные АСУ имеют для крупных предприятий, что объясняется следующими их особенностями:
сложностью функционально-производственной структуры (разнохарактерностью цехов, их многочисленностью, масштабностью и т. п.), требующей больших вычислительных мощностей для отдельных систем и организации сложных информационных связей между ними;
многоуровневой структурой (агрегаты, производства, предприятия) с различными требованиями к техническим и программным средствам управления разных уровней;
наличием разнообразных АСУ ТП и сложностью организации их совместного функционирования с АСУП;
высокими скоростями протекания взаимосвязанных производственных процессов и необходимостью координации их в реальном масштабе времени;
пространственной разобщенностью систем, определяемой территориальными размерами предприятий.
220
Характерным примером практического применения названных: принципов построения интегрированных АСУ предприятием могут служить ИАСУ новыми металлургическими заводами. Действующие-системы такого типа демонстрируют высокую эффективность интеграции функций планирования контроля и управления производством. Так, например, по данным одной из зарубежных фирм, интегрированная АСУ металлургическим предприятием позволила сократить численность планирующего и диспетчерского персонала завода на 30%, снизить потери металла на 10%, увеличить выпуск продукции на 30% (за счет оптимизации размеров выпускаемых слитков и слябов в соответствии с заказами потребителей), уменьшить-запаздывание управляющих воздействий на 20%, повысить точность-планирования благодаря более полной информации и оперативной корректировке графиков, улучшить качество продукции за счет своевременного выявления неблагоприятных факторов.
Рассмотрим более подробно типичные примеры ИАСУ, созданных на промышленных предприятиях энергетической, химической и; металлургической отраслей промышленности.
6.2.	ИНТЕГРИРОВАННАЯ АСУ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ
Несмотря на сравнительно простую схему производства с единственным видом продукции и относительно малой номенклатурой' потребляемого сырья i> материалов, современная тепловая электростанция (ТЭС) является достаточно сложным объектом управление с многочисленными внешними и внутренними связями и ограничениями. Ряд специфических особенностей энергетики, отличающих ее от других отраслей народного хозяйства (одновременность производства и потребления электроэнергии, невозможность ее хранения,, высокая единичная мощность большинства технологических агрегатов и т. п.), приводит к появлению в структуре управления ТЭС двух тесно взаимосвязанных контуров управления: оперативно-диспетчерского и производственно-хозяйственного (рис. 6.4). На рисунке сплошные линии обозначают оперативно-диспетчерское управление, пунктирные — производственно-хозяйственное. В каждое из них входят технологическое оборудование, средства управления, материальные ресурсы, коллективы людей и другие компоненты производственного процесса. Хотя эти контуры сильно влияют друг на друга и должны работать согласованно в общей системе управления ТЭС, цели и задачи у них разные.
Целью оперативно-диспетчерского управления является обеспечение заданного производства электрической и тепловой энергией допустимого качества в заданные сроки. Цель производственнохозяйственного управления — создание возможности для выполнения этих задач с минимальными затратами, а также материальное и социальное обеспечение производства. Общей задачей системы управления производством электроэнергии является достижение и поддержание экономически наивыгоднейшего режима работы энергосистемы, при котором потребители непрерывно получают энергию требуемого качества при наименьших народнохозяйственных затратах на ее генерацию, передачу и распределение.
Следует подчеркнуть, что тепловые электростанции обладают* ограниченной производственной самостоятельностью. Они работают по незавершенному циклу производства и реализации энергии, так как сами не реализуют свою продукцию, не несут прямой ответст-
221
венности перед потребителями за энергоснабжение, не могут самостоятельно определять свою производственную программу и степень использования установленной мощности. Основным самостоятельным звеном управления энергетикой являются производственные энергетические объединения (ПЭО), которые работают по завершенному циклу производства и обладают полной хозяйственной самостоятельностью.
Системе управления ТЭС присущи все основные признаки сложных систем: наличие цели управления и необходимость отыскания условий оптимальности ее действия, взаимодействие элементов с внешней средой, являющейся источником случайных возмущений, регулирование большого числа взаимосвязанных процессов с исполь-
Проязводственное энергетическое управление (ПЭО)
Рис. 6.4. Укрупненная организационная схема управления тепловой электростанцией.
зеванием принципа обратной связи, управление этими процессами с помощью развитой системы передачи, приема и последующей обработки информации, большой объем я разнотипность решаемых в системе задач.
Создание оптимальных условий эксплуатации для таких сложных объектов, как ТЭС, невозможно без соответствующих автоматизированных систем управления (АСУ ТЭС),
Основное назначение АСУ ТЭС — обеспечение качественного производства электроэнергии в соответствии с заданиями энергосистемы или энергообъединения. Автоматизированная система управления ТЭС является одной из основных подсистем АСУ энергосистемой. Поэтому при создании АСУ ТЭС необходимо учитывать сложный 222
комплекс вопросов оперативно-диспетчерского управления, а также различные связи с высшими (энергосистема) и низшими (энергоблоки и другое оборудование) уровнями иерархической системы.
Одним из основных вопросов, возникающих при разработке АСУ ТЭС, является определение ее общей структуры. Для оптимального выбора уровней иерархии в АСУ ТЭС и разбиения общей задачи управления по этим уровням необходимо располагать математической моделью ТЭС. Поскольку такая модель в настоящее время не разработана, приходится производить декомпозицию задач АСУ ТЭС по принципу наименьших взаимосвязей на ряд функциональных подсистем, образующих самостоя1ельные комплексы. Примерный состав эгих подсистем приведен на рис. 6.5.
Исходя из отмеченных выше специфических особенностей управления электростанцией в рамках АСУ ТЭС должны решаться две основные задачи: управление отдельными технологическими пооцес-
Рис. 6.5. Уровни управления и связи между основными подсистемами АСУ производством электроэнергии на ТЭС.
сами и управление всем комплексом процессов производства электроэнергии.
* Соответственно в АСУ ТЭС могут быть выделены два основных уровня иерархии: АСУ энергоблоками и другими (общестанционными) объектами (нижний уровень) и АСУ общестанционными технологическими процессами (верхний уровень). Кроме того, на второй, более высокой ступени иерархии находятся подсистемы анализа рбщестанционных технико-экономических показателей (ТЭП), связи с АСУ ПЭО и др. (рис. 6.5).
Таким образом, АСУ ТЭС по существу представляет собой двухуровневую интегрированную систему управления производством электроэнергии, нижний уровень которой охватывает ряд самостоя-
223
'тельных АСУ ТП, а верхний выполняет функции контроля и управления производством на ТЭС в целом.
Необходимо подчеркнуть, что эффективное функционирование «системы возможно только при условии интенсивного и надежного обмена информацией между соответствующими подсистемами АСУ ТЭС и АСУ ПЭО. При этом должны быть решены вопросы рациональной периодичности накопления на ТЭС необходимой для передачи в ПЭО информации, контроля за ее достоверностью и точностью, анализа принимаемых решений и т. п.
В настоящее время из отмеченных выше подсистем АСУ ТЭС ^наибольшее распространение получили АСУ ТП энергоблоков1 и -АСУ общестанционными технологическими процессами производства ^электроэнергии.
Основными задачами верхнего уровня АСУ ТЭС являются: оперативно-диспетчерские распределительные задачи;
определение и анализ групповых (для нескольких блоков) и •общестанционных технико-экономических показателей;
Контроль состояния и диагностика энергооборудования.
В комплекс оперативно-диспетчерских распределительных задач -входят (рис. 6.6): оптимальное распределение активной нагрузки между энергоблоками ТЭС, распределение видов и количества топлива между парогенераторами энергоблоков, выбор оптимального -состава действующего оборудования.
Оптимизация распределения нагрузки между энергоблоками может быть реализована в виде выдачи рекомендаций оперативному персоналу или в виде автоматических воздействий на системы управления мощностью энергоблоков. Решается эта задача на основе текущей информации о состоянии технологического оборудования. 'Реальная эффективность систем оптимального распределения нагрузок оценивается значением около 0,3—0,5% экономии топлива.
Распределение видов топлива на электростанции между парогенераторами, т. е. определение количества различного топлива, сжигаемого в данный момент времени на каждом из энергоблоков, ^является важной задачей для достижения высокой экономичности ТЭС.
Выбор оптимального состава работающего энергооборудования 'ТЭС связан с состоянием оборудования энергосистехМЫ в целом и поэтому, как правило, должен выполняться на более высоком уров-«не иерархической системы, чем АСУ ТЭС. Лишь в отдельных случаях на электростанциях с большим количеством энергооборудова-•яия можно решать частные вопросы состава работающего оборудования в соответствии с заданным графиком нагрузки. При решении этой задачи нужно учитывать повышенную вероятность отказа в период пуска и останова, их стоимость, понижение надежности снабжения электроэнергией, а также фактическое состояние оборудования.
Перечисленные выше распределительные задачи решаются на основе энергетических характеристик н текущей информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса. С этой целью в АСУ ТЭС определяются прогнозируемые характеристики энергоблоков и оптимальная характеристика режимов ТЭС, «необходимая как для решения распределительных задач внутри стан-
1 Подробное описание АСУ энергоблоком приведено в гл. 4.
1224
Рис. 6.6. 'Схема решения оперативно-диспетчерских распределительных задач в АСУ ТП ТЭС.
ции, так и для решения оперативно-диспетчерских задач энергосистемы.
Определение потерь за счет отклонений от оптимальных режимов существенно повышает эффективность выполнения оперативнодиспетчерских распределительных задач, позволяя контролировать и управлять действиями оперативного персонала ТЭС по поддержанию оптимальных режимов работы электростанции.
В комплекс задач по определению и анализу групповых и общестанционных технико-экономических показателей входят распределение по энергоблокам общестанционных (групповых) расходов тепловой и электрической энергии на собственные нужды, уточнение ряда блочных показателей по результатам сведения теплового, электрического и топливного балансов, стимулирование оперативного персонала по результатам фактического топливоиспользования, составление ежемесячного отчета работы ТЭС, а также подготовка необходимой информации для руководящего персонала ТЭС.
Информационной основой для всех расчетов, выполняемых в АСУ ТЭС, служат данные измерений общестанционных параметров, а также результаты расчетов ТЭП, получаемые в АСУ ТП энергоблоков.
Составляющие потерь на собственные нужды, общестанционных механизмов и блочные показатели, уточненные в результате сведения материальных н энергетических балансов, ежесменно передаются в АСУ ТП энергоблоков. Некоторые из общестанционных показателей (выработка электроэнергии, потери на собственные нужды, удельный расход топлива и другие) рассчитываются каждую смену (сутки), так как они необходимы не только для учета и отчетности, но и для оперативного использования при организации повседневной эксплуатации электростанции.
Для реализации задач верхнего уровня в АСУ ТЭС применяют ВК, требования к надежности функционирования которых менее жестки по сравнению с предъявляемыми к ВК систем нижнего уровня (АСУ ТП энергоблоков и общестаиционных технологических объектов); резервирование аппаратуры при выходе ее из строя обычно не предусматривается. Ввод информации в этот ВК» а также представление информации оперативному и неоперативному персоналу производится таким же образом, как и в АСУ энергоблоками (см. гл. 4).
6.3.	ИНТЕГРИРОВАННАЯ АСУ ХИМИЧЕСКИМ КОМБИНАТОМ
Управление современным химическим комбинатом осуществляется по многоуровневой схеме, включающей в себя все три указанных ранее уровня иерархии. Функциональные возможности и структуры АСУ объектами нижнего (установки) и среднего (производства) уровней рассмотрены ранее, в гл. 4 и 5. Основными задачами АСУ верхнего уровня (т. е. в сложившемся понимании АСУП) являются определение основных технико-экономических показателей, характеризующих работу предприятия в целом, решение задач учета, планирования и анализа в области производственной, хозяйственной и административной деятельности предприятия, сбор, передача и обработка всей необходимой для этого информации.
Выполнение этих задач в условиях АСУ преследует две рснов-ные цели:
226
во-первых, в максимально вбзМбжйой стейени разгрузить персд-нал функциональных отделов предприятия от решения трудоемких, относительно простых (иногда говорят «рутинных») задач учета, планирования и анализа;
во-вторых, с помощью современных экономико-математических методов дать управленческому персоналу качественно новую информацию, дающую большие возможности по совершенствованию управления предприятием. При этом основная технико-экономическая эффективность создания такой АСУП заключается в снижении непроизводительных расходов (штрафы, пени, потери от порчи и т. п.), достигающих в ряде случаев 0,5% общих затрат предприятия, в уменьшении оборотных средств (денег на организацию и ве-
Рис. 6.7. Укрупненная структурная схема верхней ступени управления химическим комбинатом.
дение производства) и в сокращении управленческого аппарата (главным образом работников, занятых расчетно-техническими операциями, подготовкой первичной документации и т. п.).
Укрупненная схема верхней ступени иерархической системы управления химическим комбинатом (рис. 6.7) предусматривает центральный пункт управления (ЦПУ) и систему сбора и передачи информации (СПИ), состоящую из двух подсистем: сбора и передачи оперативно-диспетчерской информации и организационно-экономической информации. Центральный пункт управления реализует решение задач по управлению предприятием в целом и выработку управляющих воздействий по всем основным производствам; функционально он подразделяется на информационно-вычислительный "центр (ЙВЦ), выполняющий обработку всей поступающей информации, включая различные расчеты по основным видам деятельности предприятия, и центральный диспетчерский пункт (ЦДП), осуществляющий оперативный контроль и управление основными производствами и цехами предприятия. При этом особенно важным для функционирования всей ИАСУ является организация необходимой системы сбо^а, передачи и обработки информации, обеспечивающей взаимосвязь между уровнями управления и решение задач верхнего уровня.
15*	227
а)	Подсистема сбора и передачи оперативнодиспетчерской информации
К оперативно-диспетчерской информации относятся сведения о материальных и энергетических потоках на производствах (заводах) комбината, сведения о состоянии оборудования, о запасах продуктов* в промежуточных складах и другие технологические данные, характеризующие состояние всего производства.. Основными источниками информации являются датчики (первичные измерительные преобразователи) технологических величин, средства ручного ввода и-АСУ ТП нижестоящих уровней.
На производствах, имеющих в составе системы управления ВК, в последний вводится информация о ходе процесса; В К обрабатывает ее и решает задачи оперативного управления производством; необходимая часть обработанной информации передается на ЦДП предприятия. Передача необходимой информации с ЦДП руководству предприятия осуществляется в виде устных докладов по объективной информации о текущем положении на предприятии, в виде отчетных документов с результатами решения тех или иных задач или в форме видеограммы на экране специальных устройств отображения информации.
По характеру возникновения и времени передачи оперативнодиспетчерская информация может быть разделена на регулярную и нерегулярную. Регулярная информация передается на ЦДП с постоянной частотой, принятой для решения той или иной задачи оперативного контроля или управления. Нерегулярная информация возникает в случайные моменты времени и передается на ЦДП по мере возникновения.
По характеру технологических величин собираемая информация охватывает текущие расходы жидкостей, газов, состав и другие характеристики качества продукции, расчетные технико-экономические показатели, прогноз максимальной производительности оборудования и др.
б)	Подсистема сбора и передачи
организационно-экономической информации
К организационно-экономической информации относятся сведения о запасах материальных ценностей на складах, об их движении, выпуске продукции, затратах производств и т. п. Накопление такой информации в местах ее возникновения может осуществляться на соответствующих носителях информации с одновременной печатью дубликата исходного документа; в определенное время происходят считывание информации и автоматическая передача ее в ИВЦ. Результаты решения организационно-экономических задач (как правило, в виде документов или письменных распоряжений) направляются в соответствующие функциональные отделы управления и затем на основные производства.
Одна из возможных схем сбора организационно-экономической информации приведена на рис. 6.8. Пункты сбора информации (ПСИ) размещаются в различных цехах, вспомогательных службах, на складах и т. п. Они оснащаются печатно-перфорирующими устройствами, с помощью которых оператор (мастер) по соответствующим инструкциям наносит информацию иа перфоноситель и одновременно получает необходимый документ. В установленное 228
Пункты сбора информации
Пункты приема информсдии
Рис. 6.8. Примерная схема сбора организационно-эконом и ческой информации.
время оператор ПСИ передает необходимые сведения на перфоносителе в пункт передачи информации. Пункты передачи информации (ППИ) организуются на производствах предприятия, крупных складах и в некоторых вспомогательных службах; ППИ оснащены специальными передающими устройствами, обеспечивающими автоматическую передачу информации с полученных из ПСИ перфоносителей в ИВЦ предприятия. Все автоматически переданные в ИВЦ технико-экономические данные поступают в общую систему централизованной обработки информации ИВЦ.
в)	Центральный пункт управления предприятием
Информация, переданная с производств в ЦПУ, используется прежде всего для решения задач оперативного управления предприятием. Необходимые сведения должны выдаваться диспетчеру предприятия непрерывно или по его вызову.
Результаты решения организационно-экономических задач в виде соответствующих документов должны передаваться для их последующего использования в функциональные отделы и руководству предприятия.
Для этого ЦПУ (рис. 6.9) оснащен двумя комплексами устройств, различающихся по назначению. Один нз них используется для решения организационно-экономических задач управления и включает в себя необходимые средства связи н вычислительной техники, а другой охватывает устройства ввода-вывода информации для оперативно-диспетчерского контроля и управления. Эти два комплекса устройств размещены в отдельных помещениях и образуют соответственно ИВЦ и ЦДП предприятия.
Информационно-вычислительный центр имеет своей задачей подготовку обоснованных и достаточно оперативных технико-экономн-
229
to
8
Рис. 6.9. Укрупненная схема центрального пункта управления предприятием.
ческих данных для выполнения общей задачи управления предприятием. Совместно с ЦДП информационно-вычислительный центр дает руководству комбината возможность своевременно и качественно спланировать его работу, представить картину текущего состояния производства, оценить имеющиеся нарушения и отклонения в производственном процессе и осуществить анализ организационно-экономической и хозяйственной деятельности предприятия.
Основными функциями ИВЦ являются:
прием, регистрация, хранение и обработка информации, поступающей от систем СПИ;
решение основных задач по управлению предприятием;
своевременная выдача результатов решения с изготовлением необходимых документов и требуемых отчетных форм;
обеспечение постоянно действующей оперативной связи с ЦДП и со всеми основными подразделениями предприятия.
Центральный диспетчерский пункт является основным элементом оперативно-диспетчерской службы предприятия, обеспечивающей непосредственную реализацию на производстве необходимых управляющих воздействий. Для решения этих задач на ЦДП комбината передаются обычно интегральные (иногда и мгновенные) значения входных и выходных материальных и энергетических потоков основных производств. Центральный диспетчерский пункт является постоянным рабочим местом диспетчера предприятия и оборудуется всеми необходимыми техническими средствами представления информации.
6.4.	ИНТЕГРИРОВАННАЯ АСУ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМ ЗАВОДОМ
Завод черной металлургии с полным технологическим циклом осуществляет переработку железной руды последовательно в чугун, сталь и прокат. В силу технологической специализации общий производственный комплекс (предприятие) естественно разделен на ряд отдельных участков производства. Это разделение прежде всего происходит по основным фазам производственного процесса, так называемым переделам (коксохимическому, аглодоменному, сталеплавильному, прокатному), и далее на цехи и участки.
Металлургические заводы можно рассматривать как предприятия с постоянным, серийным характером выпускаемой продукции. Смешанный тип их производственной структуры очевиден: для завода в целом характерна технологическая специализация по отдельным переделам — последовательные технологически специализированные участки производства кокса, агломерата, чугуна, стали, заготовок и проката. Однако эта специализация по мере усложнения ассортимента продукции технологических подразделений (когда однопредметное производство заканчивается) дополняется их предметной специализацией. Так, например, уже в обжимном производстве выделяют параллельные участки производства заготовок и производства слябов. При широком ассортименте прокатной продукции это ветвление структуры продолжается; выделяют, например, листопрокатное, сортопрокатное, трубное и другие производства; вводят зачастую специализацию и внутри каждого из них.
Современный металлургический завод — очень сложный производственный комплекс. Для него особенно характерны разветвленные технологические и организационные взаимосвязи между отдельными частями; сложность этих связей усугубляется наличием в ме-
£31
таллургическом производстве потоков горячего металла, заметной случайностью результатов ряда технологических операций, случайными колебаниями их длительности, случайными возмущениями извне.
В пределах устанавливаемых заводу объемов производства готовой продукции металлургический завод выпускает и отгружает огромное число различных конкретных ее марок и типоразмеров, соответствующих отдельным заказам многочисленных потребителей. Заказы (наряды) на продукцию заводу выдают центральные планирующие органы, определяя их по заявкам потребителей внутри страны и за границей (на экспорт).
Металлургическое производство по своему характеру протекания является непрерывно-дискретным. Для непрерывного технологического процесса характерен неразрывный поток перерабатываемых материалов в агрегате или цепи агрегатов. Такого рода процессами в черной металлургии являются производство алгомерата на ленточных агломерационных машинах, нагрева металла в методических или секционных нагревательных печах, процессы проката металла на многоклетьевых станах непрерывной прокатки и т. п. Для дискретных технологических процессов характерна циклическая (последовательно повторяющаяся) переработка отдельных порций перерабатываемых материалов в агрегате. Примерами такого рода процессов являются производство кокса в коксовых печах, мартеновское и конверторное производство стали, нагрев металла в нагревательных колодцах, прокат слитков на обжимных реверсивных станах и др.
На промышленном предприятии, в данном случае металлургическом заводе, происходит процесс переработки некоторых ресурсов в товарную продукцию. В этом процессе принято выделять основную производственную деятельность (собственно производственный процесс) и всю сопутствующую ей административно-хозяйственную деятельность по обеспечению производства продукции.
Используемые в производстве ресурсы по своей экономической природе, как известно, делят на три группы: технические (агрегаты, машины, здания и сооружения и другие орудия труда), материальные (сырье, топливо, энергия и другие предметы труда) и трудовые (люди). Кроме того, важно иметь в виду, что металлургический завод является не только производителем товарной продукции, но и участвует в сфере ее обращения, организуя сбыт, реализацию своей продукции. Если учесть это» то его деятельность можно упрощенно представить как совокупность процессов подготовки необходимых материальных, технических и трудовых ресурсов, производства (с помощью этих ресурсов) готовой продукции, ее сбыта и реализации. Тогда структуру предприятия можно представить в виде совокупности соответствующих сложных комплексов, каждый из которых осуществляет названные процессы подготовки, производства и сбыта (рис. 6.10). Обратная связь здесь отражает использование денежных средств, полученных от реализации готовой продукции, для восполнения расходуемых ресурсов.
Подобная достаточно укрупненная структура позволяет представить общую задачу управления металлургическим заводом в виде взаимосвязанных задач управления этими процессами, а систему управления заводом в форме совокупности соответствующих функциональных подсистем управления видами его деятельности и общезаводской системы координации этих функциональных систем. По-232
дооная структура АСУ металлургическим заводом с ее функциональными подсистемами показана на рис. 6 11
Подсистема координации выполняет функции перспективного и текущего планирования работы предприятия, оперативной координации работы завода в целом и всех функциональных подсистем АСУ. Подсистема управления техническими ресурсами осуществляет
Рис. 6.10. Структурная схема предприятия как системы «ресурсы — сбыт».
К потребителям
Рис. 6.11. Укрупненная структура управления предприятием (разложение по функциональным подсистемам).
233
ййанированйе и управление капитальным строительством, заменой и ремонтом оборудования, амортизируемого в процессе производства. Подсистема управления материальными ресурсами осуществляет планирование и управление запасами сырья, материалов и топлива и др. Подсистема управления трудовыми ресурсами обеспечивает планирование и управление движением рабочей силы, ее наймом, заработной платой и др.
Подсистема управления процессом производства осуществляет планирование и управление собственно производственным процессом переработки ресурсов в товарную продукцию завода, ее качеством и технологией производства. Подсистема управления сбытом
От внешней системы
управления
Рис, 6.12. Укрупненная структура управления предприятием (разложение по временным подсистемам).
ведет планирование, контроль и управление отгрузкой готовой продукции, ее реализацией и поступлением денежных средств завода, его фондами обращения.
Все функциональные подсистемы осуществляют учет, анализ движения своих ресурсов и хода происходящих процессов, но управляются общезаводской подсистемой координации, получая от нее соответствующие планы-задания. В подсистему координации функциональные системы передают всю необходимую ей укрупненную информацию о своей деятельности. Определенный обмен оперативной информацией происходит между функциональными системами непосредственно.
Представленная на рис. 6.11 структура иллюстрирует, как можно разбить общую задачу управления заводом на части, чтобы решить взаимосвязанные задачи заметно меныпей сложности. Эта структура позволяет создавать общую, интегрированную АСУ за-
водом поэтапно, по отдельным выделяемым функциональным системам. В свою очередь общая задача управления заводом и задачи управления в каждой из функциональных систем завода образуют определенную иерархическую структуру задач, решаемых для различных временных интервалов (периодов планирования и управления).
Подобная совокупность взаимосвязанных задач показана на рис. 6.12. Здесь выделены перспективное и текущее планирование работы предприятия; оперативное (календарное) планирование; оперативное управление производствами; управление технологическими
процессами.
На уровне перспективного и текущего планирования определяют основные концепции сбалансированного плана технико-экономического развития предприятия на пятилетку, год. На уровне оперативного планирования происходят обработка (сортировка и анализ)
234
поступающих нарядов-заказов на металлопродукцию н подготовка объемно-календарных планов для всех участков основного н обслуживающего производств. Основной задачей, решаемой на этом уровне, является составление оперативно-календарных планов на месяц, сутки или смену. Подготавливаемые планы являются основными рабочими документами предприятия и оказывают существенное влияние на экономические результаты его работы. Поэтому в настоящее время при решении этих задач стремятся применять математические модели и методы оптимизации. Полученные рекомендации, конечно, требуют коррекции со стороны персонала управления с учетом текущего хода производства, наличия ресурсов, изменений заказов.
На уровне оперативного управления производствами формируют команды управления и обеспечивают оперативный контроль и учет хода основного производства и сбыта продукции, а также процессов подготовки ресурсов. Речь идет прежде всего об определении ритма и режимов работы основных производящих агрегатов и обслуживающего их оборудования (обеспечивающих текущую координацию работы участков производства при выполнении заказов), об оперативном контроле потока ресурсов и их соответствии производственным графикам, об оперативном управлении транспортными средствами в интересах работы основных агрегатов, об оперативной подаче материалов со складов и на склады и т. п.
На уровне непосредственного управления технологическими процессами используют АСУ ТП, включающие в себя весьма разнообразные системы автоматического контроля и регулирования для различных агрегатов и йроисходящих в них процессов (см., например, § 4.4).
Верхний, общезаводской уровень перспективного и текущего планирования в рамках всех функциональных подсистем, весь комплекс перерабатываемой информации и решаемых здесь задач зачастую и понимают как АСУП. Два нижних уровня: оперативного управления производством и управления технологическими процессами— принято рассматривать как АСУ ТП.
Следует подчеркнуть, что все перечисленные системы на каждом уровне детализируют решения вышестоящей системы и передают ей обобщенную информацию. Для решения задач планирования необходимую информацию накапливают, укрупняют в течение соответствующих периодов планирования и используют обобщенную информацию. Мера обобщения определяется иерархическим уровнем задач в системе. Чем он выше, тем более обобщенная информация используется, тем более укрупненные решения принимаются на данном уровне. На более низких уровнях происходит детализация решений на менее продолжительные отрезки времени. Принимаемые решения реализуют в течение всего интервала планирования, корректируя нх по мере возникновения возмущений или периодически.
При оперативном управлении производствами и технологическими процессами информацию используют непосредственно по мере ее возникновения в ходе производства, в реальном времени для принятия решения по управлению.
Представление общей структуры АСУ завода как совокупности функциональных подсистем (см. рис. 6.11) и подсистем планирования и управления (рис. 6.12) дополняется еще соответствующим пространственным разложением задач на каждом уровне временной
235
иерархии по отдельным участкам производства внутри каждой из функциональных систем. Если иа верхнем уровне (перспективное и текущее планирование) решаются задачи для завода в целом, то чем ниже временнбй уровень решений системы, тем для все менее сложных производственных комплексов, но более детально решаются задачи планирования и управления в каждой функциональной системе.
Согласование связей между элементами детализируемых структур во времени и в пространстве возможно различным образом, и выбор рациональной структуры их координации представляет одну из фундаментальных проблем синтеза АСУ. На рис. 6.13 показана подобная структура для функциональной системы управления основ-
Рис. 6.13. Укрупненная ством.
структура управления основным производ-
ным производственным процессом металлургического завода. Соответствующие структуры формируются и в рамках производственных комплексов остальных функциональных систем АСУ заводом.
Из сказанного очевидно, что современная интегрированная АСУ металлургическим заводом представляет собой весьма сложную по структуре эддому, ориентированную как на оперативный, так и на административный персонал завода, использующую весь арсенал современных. технических и программных средств.
Центральная (общезаводская) система (АСУП) реализуется обычно иа базе информационно-вычислительного центра завода (рис. 6.14); путем выдачи документов и с помощью терминалов В диалоговом режиме система обслуживает руководство завода и функциональные отделы заводоуправления. Центральная система подучает информацию с объекта управления путем межмашинного 236
обмена с цеховыми АСУ ТП, со своих терминалов на объектах (где нет АСУ ТП) путем обработки разнообразных документов завода или внешней системы (нарядов-заказов на металлопродукцию и т. п.).
Все цеховые АСУ ТП (оперативного управления, управления технологическими процессами) используют обычно свои многомашинные вычислительные комплексы мини-ЭВМ, многочисленные терминальные устройства на рабочих местах оперативного и административного персонала агрегатов, участков, цеха. В рамках этих
Рис. 6.14. Машинный зал заводского вычислительного центра.
систем широко используется как автоматический, так и ручной сбор данных, диспетчерское оборудование для оперативного персонала, формирование и печать многочисленных учетно-отчетных документов.
Глава седьмая
ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ АСУ ТП
7.1.	ОСНОВНЫЕ СТАДИИ РАБОТ
Задачу, решаемую при создании АСУ ТП, можно кратко сформулировать следующим образом: на базе имеющихся технических средств автоматизации построить для данного объекта экономически эффективную систему управления, отвечающую заданным целям, требованиям и рационально 'использующую возможности
237
человека и техники. В принципе можно использовать два подхода к решению поставленной задачи: интуитивный и формализованный. Четкую грань между обоими подходами провести трудно, но в общих чертах можно отметить следующие отличительные особенности каждого из них.
При первом подходе на основании априорных представлений об объекте (не обязательно формализованных) и логических рассуждений предлагается некоторый комплекс алгоритмов управления и выбираются средства для его реализации. Эффективность принятых решений опирается на интуицию разработчика и проверяется экспериментально на объекте.
При втором подходе первоначально делается попытка формализовать исходные представления об объекте и всей задаче управления. Далее либо математически, либо при помощи целого ряда дополнительных упрощающих предположений синтезируется (либо просто предлагается) алгоритм управления. Важной особенностью второго подхода является то обстоятельство, что эффективность принятых решений до экспериментальной проверки на объекте проверяют при помощи вычислительных машин в лабораторных (стендовых) условиях, опираясь на имеющиеся'формальные представления об объекте.
Уже из приведенной краткой характеристики обоих подходов можно заключить, что первый проще, а второй в большей степени позволяет использовать достижения теории управления и потому более надежен. Главное же обстоятельство заключается в том, что по мере усложнения задач управления эффективность первого подхода существенно падает и доминирующее значение приобретает формализованный подход.
Для решения сформулированной выше задачи создания АСУ на базе формализованного подхода надо выполнить по крайней мере следующие работы: провести исходную формализацию (постановку) задачи синтеза алгоритма управления, разработать соответствующие алгоритмы контроля и управления с проверкой их на ЭВМ, подобрать рациональную структуру технических и программных средств, реализующих принятые алгоритмы; смонтировать эти средства и провести всестороннее опробование разработанной АСУ на реальном объекте. При этом для прсястоты предполагается, что 238
5ЬтоМаТИзйруе1ся управление действующей установкой и имеется набор готовых технических и программных средств для реализации тех или иных функций управления.
Можно условно выделить четыре основных этапа, связанных с исходной формализацией задачи:
содержательное описание установки и существующей системы управления;
формулирование цели управления; выделение автоматизируемого объекта;
составление структурной схемы1 объекта управления; декомпозиция задачи управления;
составление априорного математического описания объекта.
Разумеется, как и в любом творческом процессе, такая строгая регламентация порядка выполнения работ обычно недопустима. Часто по мере углубления знаний об объекте управления приходится возвращаться к предшествующим этапам исследования, исправлять принятые ранее решения, вновь повторять пройденные этапы и т. д.
Выполнение первого этапа осуществляется в результате изучения объекта и существующей системы управления, направленного на получение и систематизацию сведений о конструктивном оформлении и принципе действия установки, временных характеристиках объекта, структуре действующей системы управления, существующих критериях управления и ограничениях, а также о потерях, связанных с недостатками существующей системы управления. При начальном знакомстве с исследуемым объектом особенно важно вскрыть причины потерь, обусловленных недостатками действующей системы управления. Такие недостатки обычно являются следствием ограниченных возможностей человека, которые сильнее всего проявляются при управлении сложными установками, быстротечными технологическими .процессами, при повышенных требованиях к качеству продукции и в других аналогичных ситуациях. Возможны потери из-за неправильного распределения информационных потоков, отсутствия приборов для измерения важных переменных объекта, органов управления для изменения существенных характеристик каких-либо материальный или энергетических потоков установки и т.д. Очевидно, что знание всех этих причин не только еде-
239
лает последующую работу по формализации задач управления более целенаправленной, но и позволит априорно оценивать эффективность тех или иных решений.
Если АСУ ТП создается для данного объекта впервые, возможность испытаний в реальном масштабе времени до завершения проекта практически исключена. Совместная работа людей и ЭВМ не может быть начата, пока разработка системы не дойдет до получения, готовых и отлаженных программ и завершения полной проработки операций, выполняемых людьми. Упрощенная модель АСУ неэффективна из-за слабой адекватности, а равноценная модель в полном масштабе есть не что иное, как сама АСУ.
Все, что не удалось учесть и предвидеть в процессе разработки, все неудачные решения и ошибки сказываются лишь при вводе в действие и дальнейшей эксплуатации системы. Поэтому при разработке АСУ ТП чрезвычайное значение приобретают первые этапы работ, на которых принимаются принципиальные решения. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что эта работа составляет по времени и трудоемкости 40—60% всей разработки. Любые попытки сократить тщательную и кропотливую проработку на ранних стадиях неизбежно приводят к многократным потерям труда и времени на последующих стадиях, растягиванию ввода системы в эксплуатацию.
Эволюция АСУ ТП планируется заранее, в процессе разработки, когда определяется очередность ввода в действие функций. Ввод системы в действие обычно осуществляется по очередям и заключается в постепенном добавлении новых функций в соответствии с наме- ченным планом. Это обстоятельство еще более усиливает значение первых этапов разработки, составления продуманного плана на длительный период, учета взаимозаменяемости отдельных частей системы, в том числе вводимых в эксплуатацию в разное время. При разработке и вводе в эксплуатацию первых очередей и функций надо весьма тщательно продумать сопряжение с ними последующих очередей.
• И наконец, еще раз отметим, что в АСУ ТП человек имеет доминирующее значение, а оборудование вспомогательное. Отсюда следует необходимость при разработке таких систем учитывать- такие факторы, как психоло-240
гические и социальные особенности персонала, моральные и материальные стимулирующие воздействия, субъективные влияния и т. п. Кроме того, в разработке АСУ ТП следует уделять особое внимание процедурам, связанным с переработкой информации людьми. Необходимо не только спроектировать эти процедуры, но и продумать меры, чтобы они точно соблюдались, предусмотреть реакцию в случае их нарушения. Существенное внимание необходимо уделить также процессу подготовки людей для работы по указанным процедурам: разработке рабочих инструкций, обучению, тренировке, выявлению и устранению ошибок и т. д.
Весь процесс создания АСУ технологическим объектом делится на ряд стадий, установленных государственным стандартом, причем каждая из них заканчивается выпуском и утверждением определенной документации (предпроектной, проектной или организационно-распорядительной). Наименования некоторых стадий совпадают с наименованиями соответствующих документов (или комплектов документации). В соответствии с ГОСТ предусмотрены две предпроектные стадии: «Техникоэкономическое обоснование» и «Техническое задание», две проектные: «Технический проект» и «Рабочий проект», которые допускается объединять в одну — «Технорабочий проект», а также стадии «Ввод в действие (внедрение)» и «Анализ функционирования», которые можно условно назвать стадиями реализации системы.
Каждую стадию создания АСУ ТП принято подразделять на этапы, наименования которых определяются напр’авленностью и (или) содержанием соответствующих работ. Рассмотрим указанные стадии более подробно.
7.2.	ПРЕДПРОЕКТНЫЕ СТАДИИ
•а) Технико-экономическое обоснование
Основная цель работ, выполняемых на стадии «Технико-экономическое обоснование» (ТЭО), состоит в формировании обоснованного предложения заказчика о сознании АСУ ТП с оппелеленвдми основными Функциями и техническими характеристиками. Otrptctrph. ность за разработку технико-экономического обоснова-16—1341	241
йЙя системы неСёТ заказчик, а основанием для выполнения стадии ТЭО является решение руководства предприятия или вышестоящих организаций, ими же определяются сроки проведения работ, источники и объемы финансирования работ. Разработка ТЭО проводится заказчиком системы совместно с генеральной проектной организацией; при необходимости к работам привлекаются специализированные организации, в частности предполагаемый разработчик системы.
Для достижения указанной выше цели проводятся анализ известных случаев применения АСУ ТП для аналогичных объектов и обследование существующих объекта и системы управления, что позволяет в случае положительного решения разработать обоснованные с позиций заказчика исходные технические требования к АСУ ТП.
Разработка ТЭО в общем случае включает в себя следующие этапы.
Организация разработки ТЭО. На этом этапе определяется программа работ, необходимых для формулирования обоснованного предложения о целесообразности создания АСУ ТП и выработки исходных технических требований к системе. При этом следует иметь в виду, что стадия ТЭО имеет принципиальное значение и оказывает влияние на содержание и результаты работ на последующих стадиях создания системы и ее качество. Поэтому работы стадии ТЭО должны планироваться и выполняться особенно полно и тщательно.
Обследование объекта и существующей системы управления. Работы этого узлового этапа стадии ТЭО должны быть направлены на выявление главных источников ожидаемой эффективности создаваемой АСУ ТП. Содержательно этап сводится к тщательному изучению и анализу действующих системы и объекта управления, обнаружению существующих недостатков управления, приводящих к уменьшению эффективности производства, и установлению причин этих недостатков. Анализ объекта и существующей системы управления должен быть детальным, достаточно полным и объективным.
В результате проведения этапа должны быть выявлены «узкие места», вскрыты причины потерь и неиспользованные резервы производства, установлены причины аварий, брака и другие подобные обстоятельства. При проведении обследования основное внимание 242
должно быть уделено определению технологического потенциала объекта управления, т. е. существующего запаса по производительности и повышению качества выходной продукции, определяемого, в первую очередь, конструкцией агрегата, свойствами входных продуктов и потенциалом управления, т. е. предельными значениями тех же параметров, которые могут быть достигнуты путем оптимизации управления при наличии АСУ ТП.
Основная цель третьего, завершающего этапа стадии ТЭО состоит в установлении функционального назначения предполагаемой к разработке АСУ ТП, предварительной оценке затрат на ее создание и эффективности, связанной с устранением выявленных недостатков существующей системы управления. Основные результаты работ этапа оформляются в виде технико-экономического обоснования создания АСУ ТП, в котором изложение исходных технических требований к АСУ ТП сводится к четкому и упорядоченному перечислению желаемых функций создаваемой АСУ ТП и требований к качеству их выполнения (по быстродействию, надежности, метрологии и т. п.). Здесь же приводится предварительный расчет ожидаемых показателей технико-экономической эффективности АСУ данным технологическим объектом, выполненный по соответствующей утвержденной методике (см. гл. 8).
б) Техническое задание
Основная цель работы данной стадии заключается в подтверждении целесообразности и детальном обосновании возможности создания эффективной АСУ ТП с определенными функциями и техническими характеристиками, сформулированными заказчиком в ТЭО.
Для достижения этой цели исходные технические требования к АСУ ТП перерабатываются на основании •результатов предпроектных НИР и ОКР в обоснованное, согласованное и утвержденное «Техническое задание на создание АСУ ТП», являющееся основным документом, на соответствие которому осуществляется проверка системы при ее передаче в промышленную эксплуатацию. Ответственность за разработку технического задания на создание АСУ несет исполнитель — основной разработчик системы.
16*	243
Исходными материалами для работ стадии «Техническое задание» (ТЗ) являются технико-экономическое обоснование создания АСУ ТП с исходными техническими требованиями па систему (функциональными и технико-экономическими). Основными выходными документами стадии «Техническое задание» являются техническое задание на создание АСУ ТП, технико-экономическое обоснование намеченных в техническом задании решений и научно-технический отчет (отчеты), содержащий результаты проведенных предпроектных исследований и эскизной проработки АСУ ТП. Техническое задание на создание АСУ ТП и технико-экономическое обоснование являются обязательными исходными документами для проведения научно-исследовательских и проектных работ на последующих стадиях технического и рабочего проектирования.
Предпроектные научно-исследовательские работы стадии ТЗ направлены в основном на изучение наиболее сложных задач управления данным объектом для предварительного выбора методов их решения. Методически этот этап сводится к выполнению следующих работ: анализ технологического процесса как объекта управления; анализ информационных потоков, формулировка критерия управления и ограничений; разработка предварительных математических моделей технологического процесса и измерений; формулировка задач синтеза алгоритмов контроля и управления и предварительный выбор методов их решения; формулировка постановок функциональных задач системы. Последняя работа заключается в определении функций, которые должна реализовать система, и в уточнении требований к их выполнению.
Одновременно производится предварительная оценка возможности реализации этих функций с помощью современных средств автоматизации и вычислительной техники. Как правило, такие исследования проводятся в лабораторных условиях аналитическими методами или путем экспериментального моделирования в вычислительных центрах на универсальных ЭВМ.
Техническое задание на создание АСУ ТП, составленное на основе предварительной эскизной проработки системы, должно содержать вводную часть и следующие разделы:
244
характеристики технологического объекта управления;
назначение АСУ ТП;
технико-экономические показатели АСУ ТП;
требования к АСУ ТП;
требования к заказчику по подготовке объекта; состав и содержание работ по созданию АСУ ТП; порядок сдачи системы.
Техническое задание утверждается министерством (ведомством) разработчика и министерством (ведомством) заказчика и должно быть согласовано со всеми организациями — участниками работ (соисполнителями) .
7.3.	ПРОЕКТНЫЕ СТАДИИ
а)	Технический проект
Целью работ, выполняемых на стадии «Технический проект», являются обоснование и разработка основных технических решений по создаваемой системе и определение ее сметной стоимости.
Основанием для выполнения работ является наличие утвержденного ТЗ на создание системы и документа об их финансировании. Основные участники работ — генеральный разработчик, обычно системный институт, а соисполнитель — проектная организация.
Исходными материалами для разработки технического проекта являются:
утвержденное ТЗ на создание АСУ ТП; технико-экономическое обоснование системы; научно-технический отчет на стадии ТЗ о работах, проведенных на этапах «Предварительное обследование автоматизируемого технологического процесса», «Пред-проектные научно-исследовательские работы» и «Эскизная проработка АСУ ТП»;
исходные данные заказчика о ТОУ, помещениях и сооружениях, электроснабжении и другие, необходимые в процессе проектирования.
На стадии «Технический проект» участники проводят необходимые исследовательские и проектные работы по следующим этапам.
245
На этапе «Системотехнический синтез АСУ ТП» прорабатываются основные решения по системе в целом (схемы функциональной и организационной структур АСУ, описания постановок функциональных задач и др.). На этом же этапе составляются задания на работы по проектированию АСУ ТП, поручаемые организациям-соисполнителям. Задания, кроме общих и организационных вопросов, должны определять точное наименование и состав поручаемой работы, ее объем и место в проекте АСУ ТП, технические требования, перечень основных выходных документов и т. д.
«Аппаратурно-технический синтез» посвящается определению характеристик информационно-измерительных каналов, структуры комплекса технических средств системы, функциональных схем автоматизации и т. п.
«Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта» содержит требования к помещениям, обеспечению технических средств системы различными видами энергии, средствами производственной связи и другим разработкам, проводимым в смежных частях проекта строительства или реконструкции объекта и необходимым для создания АСУ ТП.
«Подготовка заявок на разработку новых средств автоматизации» заключается в определении технических требований к новым техническим средствам, их предварительном согласовании с организациями — разработчиками средств.
«Разработка технических заданий на оперативнодиспетчерское оборудование, не выпускаемое серийно» заключается в создании технических заданий на нестан-дартизованное оборудование, которые передаются либо конструкторским организациям заводов-изготовителей, либо другим организациям-соисполнителям.
Этапы «Разработка сметы на создание АСУ ТП», «Расчет ожидаемой технике-экономической эффективности АСУ ТП» и «Составление патентного формуляра» завершаются составлением проектно-сметных документов, включаемых в состав общесистемной документации.
Этап «Техническое проектирование специального математического и информационного обеспечения АСУ ТП» представляет собой основную совокупность работ, выполняемых генеральным разработчиком системы на стадии «Технический проект», и включает разработку всех алгоритмов, реализуемых средствами вычислительной техни-246
ки, общего алгоритма функционирования АСУ ТЙ кай человеко-машинной системы и завершается выпуском задания на программирование, которое передается соисполнителю — программирующей организации. Результат работ этапа оформляются в виде отдельного раздела (тома) технического проекта АСУ ТП.
Документация технического проекта разделяется на общесистемную, математического, информационного и технического обеспечения.
В состав общесистемной документации должны включаться пояснительная записка к техническому проекту АСУ ТП, описание постановок функциональных задач, обеспечивающих выполнение всех основных функций системы, схема функциональной структуры системы, схема организационной структуры системы, расчет ожидаемой экономической эффективности, сметы затрат на создание АСУ ТП.
Пояснительная записка к техническому проекту должна раскрывать цель и назначение АСУ ТП, суть всех проектных решений и, кроме описания общих вопросов, должна содержать разделы по видам обеспечения АСУ ТП, где приводятся соответствующие пояснения.
Схема функциональной структуры системы должна отражать все функции, выполняемые АСУ ТП. Структурными элементами схемы могут быть отдельные функции или функции, сгруппированные по каким-либо логическим признакам.
Схема организационной структуры системы показывает взаимодействие оперативного персонала АСУ ТП, пункты управления (места расположения оперативного персонала АСУ ТП) и связи между пунктами управления, соответствующие передаче информации (автоматически, в виде документов, по телефону и т. п.).
Расчет ожидаемой экономической эффективности АСУ ТП должен определять результирующие показатели эффективности АСУ ТП (годовой экономический эффект, срок окупаемости и коэффициент эффективности) с указанием конкретных технически обоснованных источников эффективности и социальных факторов, влияющих на результаты работы.
Смета на создание АСУ ТП включает детальный перечень затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторский работы, приобретение и монтаж средств технического обеспечения, проектирование, разработку но-
247
Вых тёхййчёскйх средств, приобретение й мойта?к средств технического обеспечения.
В состав документации математического обеспечения технического проекта АСУ ТП должны включаться следующие документы:
пояснительная записка к разделу проекта «Специальное математическое обеспечение»;
алгоритмы контроля и управления, а также контрольных задач;
алгоритмы функционирования системы в реальном масштабе времени, обеспечивающие работоспособность, надежность и возможность развития системы в пределах, указанных в техническом задании;
алгоритмы контрольных задач, которые должны обеспечивать контроль правильности функционирования КТС;
задание на программирование, которое должно содержать описание алгоритмов, указание о конфигурации технических средств, языке программирования, операционной системе и др.
В состав документации информационного обеспечения технического проекта АСУ ТП должны включаться следующие документы:
пояснительная записка к разделу «Информационное обеспечение»;
перечень входных сигналов и данных, в которых приводятся входные измеряемые (аналоговые и дискретные) и инициативные сигналы, поступающие в информацион-но-управляющий комплекс, и их характеристики;
перечень выходных сигналов и документов, включая способы представления выходной информации и ее дальнейшего использования при выполнении функций системы;
схема сбора, обработки и использования информации с указанием видов устройств и процедур.
В состав документации технического обеспечения, входящей в технический проект АСУ ТП, должны включаться в основном следующие документы:
пояснительная записка к разделу «Техническое обеспечение»;
структурная схема КТС, которая определяет состав комплекса технических средств АСУ ТП и основные взаимосвязи в нем; структурными элементами схемы могут быть отдельные средства или группы средств, объединенные по каким-либо логическим признакам [например, можно сгруппировать средства, обеспечивающие выпол-248
нение отдельных или нескольких функций АСУ ТП, отдельных или нескольких систем автоматизации технологических процессов, можно принять группировку по назначению средств (для получения, формулирования, передачи, переработки информации и т. д.), а также по другим признакам];
структурная схема вычислительного (информационного) комплекса, которая раскрывает состав и построение ВК;
планы расположения пунктов управления, щитов, пультов, средств вычислительной техники и т. п.;
ведомости (перечни) приборов и средств автоматизации, средств телемеханики, вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизованного оборудования и др.
б)	Рабочий проект
Целью работ, выполняемых на стадии «Рабочий проект», является выработка рабочих решений по создаваемой системе с выпуском проектно-сметной документации, необходимой и достаточной для приобретения, монтажа и наладки комплекса технических средств системы, и документации программного и организационного обеспечений, необходимой и достаточной для наладки и эксплуатации системы.
Основанием для начала работ стадии являются утверждение технического проекта АСУ ТП и наличие документа об их финансировании. Исходными данными для выполнения рабочего проекта АСУ ТП являются утвержденное ТЗ на создание АСУ ТП, утвержденный технический проект АСУ ТП и исходные данные заказчика о ТОУ, здании, Энергоснабжении и другие, необходимые в процессе проектирования. Основные участники работ, привлекаемые к выполнению стадии «Рабочий проект», определяются планом-графиком создания АСУ ТП.
Результатом стадии является выпуск документации рабочего проекта и передача заказчику специальных программ на машинных носителях. Документация рабочего проектаv разделяется на общесистемную, программного обеспечения, технического обеспечения, организационного обеспечения.
В состав общесистемной документации рабочего проекта должны включаться в основном следующие документы, раскрывающие общие проектные решения: пояснительная записка к рабочему проекту АСУ ТП, схема функциональной структуры системы, схема организационной структуры системы и другие общесистемные документы технического проекта.
В состав документации технического обеспечения рабочего проекта должны включаться в основном следующие проектные документы: пояснительная записка к разделу технического обеспечения, схема (структурная) комплекса технических средств, схема (структурная) средств ВК, схемы (функциональные) автоматизации, схемы принципиальные электрические, пневматические, гидравлические и др., общие виды щитов, пультов и т. п., схемы монтажные, внешних электрических, трубных проводок и журнал кабелей и труб, планы расположения технических средств и проводок, заказные спецификации и другие материалы.
В состав документации организационного обеспечения проекта должны включаться техническое описание системы, инструкция по эксплуатации АСУ ТП, прочие документы (по усмотрению генерального разработчика системы).
Этап, относящийся к созданию рабочей документации программного и информационного обеспечения, имеет целью разработку программного обеспечения АСУ ТП, включающую изготовление оригиналов и копий программ специального программного обеспечения и выпуск полного комплекта программной документации и документации информационного обеспечения функций, реализуемых с помощью программируемых средств вычислительной техники. Этап включает следующие работы:
синтез полной программной структуры системы;
анализ синтезированной структуры с целью выделения программных модулей, подлежащих непосредственному программированию и изготовлению в виде отдельных программ;
программирование, отладку и проверку модулей;
изготовление программ-оригиналов, дубликатов и копий в необходимых количествах;
разработку и оформление программной и эксплуатационной документации системы в целом;
250
разработку рабочей документаций информационного обеспечения АСУ ТП.
Результаты работ этапа представляются в виде программ на машинных носителях (оригиналы, дубликаты и копии в необходимом количестве), эксплуатационной программной документации в целом и рабочей документации информационного обеспечения.
7.4.	СТАДИИ РЕАЛИЗАЦИИ
а)	Ввод в действие
Целью работ на стадии «Ввод в действие» является физическая реализация системы и передача ее в промышленную эксплуатацию. Основанием для начала работ по вводу АСУ ТП служит готовность рабочей документации; они проводятся в соответствии с планом-графиком, утвержденным организацией-заказчиком и согласованным с организацией-разработчиком и соисполнителями. План-график работ по внедрению может предусматривать поочередный ввод системы.
Основные этапы работ: подготовка объекта к вводу АСУ ТП, наладка и испытания системы, опытная эксплуатация, приемо-сдаточные испытания.
Подготовка объекта к вводу АСУ ТП включает в себя организационно-технические работы (в том числе строительные работы и модернизацию технологического оборудования), комплектацию системы, монтаж оборудования АСУ ТП. Комплектация системы производится в установленном порядке в соответствии с заказными спецификациями, разработанными па стадии рабочего проектирования. Монтаж оборудования АСУ ТП производится специализированными организациями, привлекаемыми заказчиком на основании и в соответствии с рабочей документацией на систему. Завершение всех работ по монтажу технических средств АСУ ТП в полном объеме фиксируется комиссией из представителей заказчика и исполнителя в виде двустороннего акта.
Наладка и испытания АСУ ТП охватывают отладку комплекса технических средств системы, ее программного обеспечения и проведение предварительных испытаний системы до ее передачи в опытную эксплуатацию. В результате предварительных испытаний определяются
251
количественные и качественный характеристики выполнения отдельных функций, выявляется возможность совместного функционирования всех подсистем и характеристики системы в целом.
Опытная эксплуатация АСУ ТП проводится силами заказчика с участием исполнителя для проверки работоспособности системы и готовности оперативного и ремонтного персонала к работе в условиях промышленной эксплуатации системы. На этапе опытной эксплуатации выполняются следующие работы: включение системы в опытную эксплуатацию, определение эксплуатационных характеристик системы, дополнительная отладка программ и устройств, коррекция эксплуатационной документации. В ходе опытной эксплуатации осуществляются устранение ошибок в программах и внесение исправлений в техническую и эксплуатационную документацию.
Приемо-сдаточные испытания проводятся с целью проверки соответствия созданной системы общим техническим требованиям на АСУ ТП, требованиям, содержащимся в ТЗ на создание системы, и приемки ее в промышленную эксплуатацию. Приемо-сдаточные испытания АСУ ТП организуются и проводятся заказчиком, который совместно с исполнителем представляет государственной (межведомственной) комиссии следующую техническую документацию на систему: ТЗ, технико-экономическое обоснование, протокол опытной эксплуатации, проекты программ и методику проведения приемо-сдаточных испытаний, эксплуатационную документацию. Комиссия после изучения представленных материалов принимает решение о готовности (неготовности) АСУ ТП для проведения приемо-сдаточных испытаний.
После окончания приемо-сдаточных испытаний составляется акт, в котором формируется заключение о соответствии (несоответствии) рассматриваемой АСУ ТП предъявляемым к ней требованиям и целесообразности (нецелесообразности) передачи ее в промышленную эксплуатацию.
б)	Анализ функционирования
Цель работ, выполняемых на стадии «Анализ функционирования», состоит в получении объективных и систематизированных данных о качестве созданной системы, текущем состоянии и реальном эффекте от исполь-252
Эованйя системы на основании опыта ее промышленной эксплуатации. Для этого определяются показатели эксплуатационной надежности системы в целом и отдельных реализуемых ею функций, показатели технико-экономической эффективности системы и оценивается функционально-алгоритмическая полнота (развитость) системы.
Исходными данными для проведения работ этой стадии являются:
эксплуатационная документация, содержащая все сведения о системе, необходимые для освоения АСУ ТП и ее эксплуатации;
формуляр системы (отражающий работы системы и ее комплекса технических средств с фиксацией всех видов неисправностей и способов устранения);
известные методики по определению экономической эффективности и эксплуатационной надежности АСУ ТП.
Исследования, проводимые на стадии «Анализ функционирования», включают следующие этапы: предварительное обследование состояния АСУ ТП, экспериментально-статистические исследования, анализ полученных результатов, разработка рекомендаций и заключительных материалов обследования.
Основными итоговыми материалами стадии «Анализ функционирования» являются сводный научно-технический отчет по результатам анализа функционирования конкретной АСУ ТП и техническое заключение или справка о результатах обследования.
Результаты работ* по анализу функционирования АСУ ТП могут быть использованы для развития и совершенствования данной АСУ ТП, разработки унифицированных и типовых решений как в части технических структур, так и программного обеспечения, необходимых для тиражирования АСУ ТП, создания АСУ ТП, предназначенных для автоматизации аналогичных или близких по технологии объектов, научных обобщений по всему циклу работ при создании АСУ ТП.
7.5.	ЭКСПЛУАТАЦИЯ АСУ ТП.
Широкое применение АСУ ТП в промышленности делает весьма актуальной задачу рациональной эксплуатации этих систем. Большое количество сложных и разнообразных технических средств, входящих в состав АСУ ТП, наличие развитого программного и организационно
253
Го обеспечения, большое количество пользователей ий-формации, вырабатываемой в системе, существенная взаимосвязь между эффективностью АСУ ТП, ее надежностью и способами эксплуатации, необходимость в продуманной эволюции каждой АСУ ТП — все эти особенности таких систем приводят к тому, что организация и проведение эксплуатации АСУ ТП становится сложной и разносторонней проблемой, требующей для своего решения проведения ряда работ во всех стадиях ее создания, значительных средств и большого числа людей. Так, например, в настоящее время цехи тепловой автоматики и измерений на тепловых электростанциях, в состав которых входит персонал, ведущий эксплуатацию АСУ ТП, являются одними из самых больших на электростанциях. Численность этих цехов на крупных тепловых станциях достигает 200 человек и более, а в переводе на 1 МВт установленной мощности составляет около 0,4 чел/МВт.
Основными задачами, решаемыми при подготовке и проведении эксплуатации АСУ ТП, являются:
обеспечение потребителей разнообразной информацией, вырабатываемой системой;
выбор организационной структуры подразделения, осуществляющего эксплуатацию АСУ ТП;
проведение оптимального технического обслуживания комплекса технических средств;
снабжение запасными частями и материалами и др.
Исходной информацией для решения этих задач, помимо сведений о функциональной’и технической структурах, о программном и организационном обеспечении, являются данные об эксплуатационной надежности АСУ ТП и ее компонентов.
а) Эксплуатационная надежность АСУ ТП
Под надежностью АСУ ТП понимается способность последней выполнять заданные функции в течение требуемого интервала времени при определенных условиях эксплуатации и определенном техническом обслуживании. Надежность АСУ ТП определяется в основном ее безотказностью и ремонтопригодностью.
Безотказность характеризует способность системы функционировать без вынужденных перерывов. Это наиболее важная составляющая надежности АСУ ТП;
254
она определяется качеством компонентов, структурой системы, функциональными, конструктивными и алгоритмическими особенностями, а также условиями эксплуатации.
Ремонтопригодность, или приспособленность АСУ ТП к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и повреждений путем проведения технического обслуживания и ремонтов, обусловливается схемно-конструктивными особенностями АСУ ТП, в частности наличием избыточности и контрольно-диагностической аппаратуры, а также свойствами используемых компонентов.
В процессе создания и эксплуатации АСУ ТП должен устанавливаться и обеспечиваться требуемый уровень надежности системы. При этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:
1. АСУ ТП являются многофункциональными системами, в состав которых входят большое количество технических средств, а также оперативный персонал. В выполнении той или иной функции АСУ ТП участвуют технические средства и оперативный персонал; одно и то же техническое средство может участвовать в выполнении нескольких функций. Вследствие этого для описания и изучения надежности АСУ ТП обычно применяют функциональный подход, причем надежность АСУ ТП рассматривается в следующих взаимосвязанных аспектах: надежность АСУ ТП в целом при осуществлении заданных функций, надежность отдельных подсистем АСУ ТП при выполнении ими функций, надежность реализации каждой отдельной функции. Функциональный подход позволяет учесть структуру алгоритмов управления и факт участия человека-оператора в функционировании АСУ ТП.
2. АСУ ТП обычно являются восстанавливаемыми и обслуживаемыми системами, рассчитываемыми на длительное функционирование.
. 3. АСУ ТП во многих случаях обладают аппаратурной, информационной, временной и функциональной избыточностью, в результате чего надежность всей системы может быть выше надежности отдельных устройств.
4. Наличие оперативного персонала в системе может как увеличивать общую надежность выполнения заданных функций, когда человек является резервным звеном управлеция, так и уменьшать результирующую надеж
ность АСУ ТП, когда оперативный персонал является необходимым звеном в цепи управления.
5. Надежность АСУ ТП существенно зависит от особенностей программ и алгоритмов, реализуемых техническими средствами и (или) оперативным персоналом АСУ ТП.
В качестве показателей безотказности АСУ ТП применяются: вероятность безотказной работы АСУ ТП в целом, ее подсистем, каналов и функций в течение заданного времени; наработка на отказ (среднее время безотказной работы) или параметр потока отказов АСУ ТП (подсистем, функций, каналов).
Показателями ремонтопригодности служат среднее время восстановления АСУ ТП (подсистем, функций, каналов) и (или) вероятность такого восстановления в течение заданного времени.
Кроме указанных показателей, характеризующих одну из составляющих надежности, используются также комплексные показатели, отражающие совместно безотказность и ремонтопригодность. К ним относятся коэффициент готовности, коэффициент оперативной готовности и др.
Выбор вида показателя надежности функции производится исходя из временных особенностей ее выполнения и характера связи надежности и эффективности АСУ ТП. Так, параметр потока отказов применяется для описания надежности непрерывно выполняемых функций (например, автоматического регулирования, контроля), когда показатели эффективности линейно зависят от числа отказов, а коэффициенты готовности — в тех случаях, когда показатели эффективности пропорциональны длительности отключения функции. Для функций, выполняемых в течение короткого времени после вызовов (например, сигнализации, регистрации срабатывания защит и др.), показателем надежности может быть коэффициент оперативной готовности.
Требования, предъявляемые к надежности выполнения различных функций, существенно отличаются друг от друга. В зависимости от этих требований функции можно классифицировать следующим образом:
отказы которых приводят к повреждению или отключению оборудования (например, технологические защиты, некоторые каналы регулирования);
отказы которых ухудшают качество ведения техноло-
256
гического процесса (регулирование, контроль наиболее важных параметров и др.);
отказы которых ухудшают отчетность или связь с АСУ высших уровней (например, расчет неоперативных технико-экономических показателей);
отказы которых ухудшают условия работы и повышают трудозатраты персонала (например, контроль по вызову большинства параметров).
АСУ ТП в процессе эксплуатации находится под воздействием большого числа разнообразных факторов: влияния технологического объекта управления, условий окружающей среды (температуры,вибрации нт.п.), воздействий от ремонтного персонала, не входящего в состав АСУ ТП, влияния систем управления высшего уровня иерархии и т. п. Учет этих факторов, как и внутренних свойств самой АСУ ТП, при определении показателей надежности аналитическим путем и моделированием затруднен. Поэтому показатели надежности, полученные экспериментально в процессе эксплуатации АСУ ТП в составе автоматизированного технологического комплекса (их иногда называют показателями эксплуатационной надежности АСУ ТП), более точно отражают действительный уровень надежности систем.
В качестве примера приведем значения этих показателей для некоторых функций АСУ ТП энергоблока, описанной в § 4.1.
Показатели безотказности каналов функций АСУ ТП энергоблока
Наименование функции	Наработка на
отказ, ч
Индивидуальный контроль на постоянно включенных втори шых приборах •................................. 2000—10 000
Индивидуальная графи (еская регистрация на постоянно включенных втори шых приборах................1500—6000
Контроль по вызову на аналоговый или цифровой прибор через ВК...................................... 6000—10 000
Сигнализация отклонившего гя параметра через ВК 1000
Графическая регистрация по вызозу через ВК . . .	1500
Цифровая регистрация через ВК.................... 1500
Автоматическое регулирование на индивидуальных средствах регулирозания.............................. 8000
Дистанционное управление ........................ 50	000
Эти показатели, определенные экспериментально на одной из теЬловых электростанций, приведены в расчете на один канал контроля, регистрации, управления и 17—1341 257
т. д. Разброс значений показателей безотказности вызван их зависимостью от вида контролируемого или управляемого параметра, типов технических средств, участвующих в реализации функции. Более высокие показатели надежности каналов функции контроля по вызову объясняются тем, что контроль с помощью цифровых и аналоговых приборов в значительной степени резервирует друг друга. Показатели надежности функции дистанционного управления даны без учета действий оперативного персонала.
Среднее время восстановления функций, как правило, не превышает 1 ч. Поэтому коэффициент готовности каналов составляет не менее 0,999.
Отказы АСУ ТП и ее компонентов оказывают существенное влияние на функционирование объекта управления. Это влияние проявляется в двух направлениях. Во-первых, отказы могут вызывать повреждение и (или) отключение оборудования. Основная причина этих событий — ложные срабатывания или несрабатывания технологических защит. Так, например, статистические данные, собранные по нескольким АСУ ТП энергоблоков мощностью 300 МВт с суммарной их наработкой 786 тыс. ч, показали, что число повреждений и отключений оборудования только из-за отказов защит в среднем равно одному на 9000 ч работы блока. Повреждения или отключения оборудования могут происходить также из-за отказов автоматических регуляторов, средств дистанционного управления. Средняя длительность простоя такого энергоблока или его корпуса после отказа автоматики, вызвавшего повреждение оборудования, составила 26 ч, а без повреждения 7 ч. Во-вторых, отказы могут ухудшать качество ведения технологического процесса без его останова. Для АСУ ТП энергоблоков это в первую очередь относится к автоматическим регуляторам, например регуляторам топлива, питания и др.
б) Организация эксплуатации АСУ ТП
Эксплуатация АСУ ТП включает в себя регулярное доведение до потребителей информации, вырабатываемой в системе, а также обеспечение функционирования АСУ ТП и дальнейшего развития этой системы.
При функционировании АСУ ТП объем вырабатываемой информации, а следовательно, и круг ее потреби-258
телей существенно расширяются. Потребителями оперативной информации являются технологи-операторы, осуществляющие с местных и центральных щитов управление отдельными участками объекта и оптимизацию технологического процесса в целом.
Потребителями неоперативной информации являются руководство технологического цеха, куда входит объект управления, и руководство предприятия, а также АСУ (или иные органы управления) высшего уровня иерархии. Руководство технологического цеха обычно получает:
информацию об анализе деятельности персонала, что позволяет сравнивать результаты работы различных вахт и улучшать организацию социалистического соревнования;
результаты регистрации предаварийных и аварийных ситуаций, что позволяет проводить анализ действий персонала и комплекса технических средств в этих режимах и осуществлять необходимые организационнотехнические мероприятия, повышающие надежность технологического оборудования;
данные о состоянии этого оборудования, что позволяет обосновать сроки и объемы проведения ремонтных работ.
Руководство предприятия получает информацию о технико-экономических показателях работы объекта. Внедрение АСУ ТП дает возможность получать эти показатели существенно точнее и быстрее, практически «в темпе с процессом», в то время как без такой системы технико-экономические показатели на ряде производств определялись не чаще 1 раза в месяц. Это улучшает качество управления, дает возможность рационально вырабатывать задания, поступающие к АСУ ТП, например распределять нагрузку между технологическими агрегатами. Аналогично используется информация, поступающая в АСУ более высоких уровней иерархии.
Для обеспечения функционирования АСУ ТП на стадии промышленной эксплуатации (а также для участия в разработке системы на стадиях, предшествующих внедрению, и для внедрения системы) необходимо создание на предприятии, эксплуатирующем АСУ ТП, специализированного подразделения. Это подразделение может быть реализовано в виде специальной службы
17*	259
(цеха, лаборатории) и обычно формируется поэтапно в зависимости от числа и сложности вводимых систем. Рассмотрим основные задачи и ориентировочную структуру подразделения АСУ ТП.
На стадиях, предшествующих стадии «Внедрение», подразделение АСУ ТП принимает участие в разработке планов и программ создания систем на предприятии, подготовке технико-экономических обоснований, выработке технических требований к создаваемым системам и согласовании этих требований с исполнителем (разработчиком), разработке планов-графиков работ по созданию каждой из систем и контроле за их реализацией. Как представитель предприятия-заказчика это подразделение рассматривает и подготавливает на согласование представляемую разработчиком техническую документацию на систему (в том числе проекты организационной структуры системы, постановок задач, заказных спецификаций, инструкций по эксплуатации). Сотрудники подразделения принимают участие в обследовании объекта управления, проводимом исполнителем. Они обеспечивают контроль за реализацией требований по модернизации технологического объекта управления, по совместимости разрабатываемой системы со смежными и т. д.
На стадии «Внедрение (ввод в эксплуатацию)» подразделение АСУ ТП осуществляет следующие работы: контролирует ход работ по комплектации системы и модернизации ТОУ (при необходимости); участвует в монтаже и наладке комплекса технических средств системы и контролирует качество работ, выполняемых строительными, монтажными и наладочными организациями; организует приемку завершенных работ от организаций-исполнителей и подготовку технологического и диспетчерского персонала предприятия к работе в составе АСУ ТП; проводит совместно с разработчиком опытную эксплуатацию и испытания системы на работоспособность; организует подготовку и проведение приемо-сдаточных испытаний при передаче системы в промышленную эксплуатацию. Подразделение АСУ ТП контролирует соответствие реализованных решений технической документации на систему, согласовывает отступления от решений рабочего проекта и участвует в необходимой корректировке эксплуатационной и рабочей документации.
260
Функции подразделения АСУ ТП при промышленной эксплуатации систем следующие: обслуживание технических и программных средств системы в соответствии с правилами (регламентом) и требованиями, изложенными в технической документации, обеспечивающими поддержание этих систем в работоспособном состоянии; контроль за состоянием КТС системы и организация или проведение регламентных и ремонтных работ; перестройка системы в соответствии с изменениями, вносимыми в технологию; развитие системы.
В состав подразделений АСУ ТП обычно входят эксплуатационные и ремонтные службы. Правда, в настоящее время в связи с появлением организаций, выполняющих централизованное обслуживание средств вычислительной техники или осуществляющих сопровождение программного обеспечения (фонды алгоритмов и программ), некоторые функции подразделения АСУ ТП переходят к этим организациям. Пример возможной организационной структуры подразделения АСУ ТП представлен на рис. 7.1. Ремонтный персонал подразделения организуется в отдельные лаборатории (участки) по видам технических средств, не обеспеченных централизованным обслуживанием, например, датчиков, устройств связи с объектом, процессоров и каналов передачи данных, устройств памяти, исполнительных устройств, электромеханических устройств (печатающих, перфорирующих машинок) и т. д. Заместителю руководителя подразделения АСУ ТП по ремонту подчиняется также лаборатория математического и программного обеспечения, объединяющая математиков-программистов, поддерживающих программное обеспечение АСУ ТП в’работоспособном состоянии и осуществляющих его необходимое развитие.
Ряд технических средств (датчики, вторичные приборы и др.) обычно эксплуатируются на предприятиях и вне АСУ ТП. Лаборатории (группы) по их ремонту могут быть раздельными для аналогичных средств, входящих и не входящих в АСУ ТП (что соответствует структуре на рис. 7.1), или могут быть общими. В последнем случае такие лаборатории подчиняются не начальнику подразделения АСУ ТП, а главному прибористу предприятия [начальнику цеха автоматики, зам. главного иьЬкенера по контрольно-измерительным приборам (КИП) и автоматике т. п.].
261
Оперативный персонал подразделения АСУ ТП организуется по участкам, каждый из которых обеспечивает эксплуатацию одной или нескольких АСУ ТП, закрепленных за ним. Персонал участков в своей оперативной деятельности подчиняется начальнику смены автоматизированного технического комплекса (АТК); работа
Рис. 7.1. Пример организационной структуры подразделения АСУ ТП на промышленном предприятии.
этого персонала организуется аналогично работе технологического персонала (сменность,, длительность смены или рабочего дня и т. п.).
262
Исходными данными для расчета численности как оперативного, так и дежурного персонала являются сведения об эксплуатационной надежности технических средств. Методы такого расчета основываются на теории массового обслуживания, где потоком заявок является поток отказов/ а обслуживающими звеньями — персонал.
в) Техническое обслуживание АСУ ТП
На практике требуемая надежность АСУ ТП может достигаться различными способами. При разработке системы надежность обеспечивается использованием различных видов резервирования. Так, структурное резервирование предусматривает введение в АСУ ТП дополнительных устройств специально в целях повышения надежности; информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации; функциональное резервирование проявляется в том, что одна функция может в определенной степени заменяться другой и т. д.
Однако и при эксплуатации АСУ ТП существует действенный способ обеспечения надежности — введение комплекса мероприятий по техническому обслуживанию системы с требуемой глубиной и периодичностью.
Совокупность работ по техническому обслуживанию АСУ ТП включает в себя:
ежедневные работы, обеспечивающие функциониро* вание технических средств (например, заправка диаграммной бумаги, заливка чернил);
профилактическое обслуживание, включающее в себя различные мероприятия по проверке исправности работы и регулировок отдельных приборов и узлов, чистке и смазке электромеханических и механических элементов, продувке импульсных линий и т. д.; периодичность этих мероприятий существенно различна (от недели до года);
капитальный ремонт, обычно проводимый во время капитального ремонта технологического оборудования и предназначенный для восстановления ресурса технических средств;
проверку средств измерений, сводящуюся к периодическому определению погрешностей этих средств и установлению их пригодности к применению;
263
наладочные работы, необходимость в которых вызвана тем, что АСУ ТП принадлежит к классу развивающихся систем, в которые вводят новые функции, изменяют существующие функции в связи с изменением технологического оборудования и т. п.
Разделение работ между дежурным и ремонтным персоналом отличается на различных предприятиях друг от друга в зависимости от численности и квалификации тех или иных групп персонала. Как правило, дежурный персонал осуществляет наблюдение за правильностью функционирования, выполняет ежедневные работы и принимает некоторое участие в профилактическом обслуживании и восстановлении отказавших технических средств на месте их установки. Остальные работы проводит ремонтный персонал, причем к проверкам, как правило, привлекаются сотрудники метрологических органов Госстандарта, к наладкам — представители иных цехов и отделов данного предприятия или иных пусконаладочных организаций, к капитальному ремонту — также представители иных наладочных или ремонтных предприятий.
В основу нормативов по определению рациональной периодичности и состава указанных выше мероприятий положены результаты исследований надежности этих средств при эксплуатации. Задачи организации эксплуатации в принципе являются оптимизационными, редкое обслуживание и его малый объем ведут к повышению числа отказов технических средств и повышению влияния этих отказов на поведение объекта; частое обслуживание связано с дополнительными трудовыми затратами персонала. Однако оптимизация эксплуатации по экономическим критериям встречает ряд затруднений, вызванных, в первую очередь, отсутствием исходных данных для такого расчета (например, стоимости последствий отказов). Поэтому часто выбирают приближенные, но более простые критерии (например, наименьшие трудовые затраты на эксплуатацию, позволяющие добиться заданного уровня надежности).
Для снижения трудовых затрат на техническое обслуживание большую роль играют разработка и изготовление специальных средств и приспособлений для автоматизации и механизации ремонтных и наладочных работ (например, для автоматической проверки термопар, фотосчитывания и автоматической обработки диа-264
грамм приборов, проверки и регулировки двигателей или электронных регулирующих устройств). Важное значение имеют также совершенствование организации подготовки персонала (новые программированные формы его обучения, разработка тренажеров для улучшения подготовки персонала) и регулярное снабжение необходимыми запасными частями.
Глава восьмая
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АСУ ТП
8.1.	ИСТОЧНИКИ, ВИДЫ И ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Накопленный опыт создания и эксплуатации АСУ ТП свидетельствует о высокой экономической эффективности этого направления научно-технического прогресса. Капитальные вложения на АСУ ТП окупаются за 1— 3 года, т. е. значительно быстрее, чем для любых других направлений капитальных вложений в промышленность. Столь быстрая окупаемость достигается благодаря увеличению выпуска продукции, сокращению материальносырьевых и топливно-энергетических затрат, улучшению качества продукции, снижению или полной ликвидации отходов и брака и т. д.
При наличии АСУ ТП повышаются оперативность и надежность управления технологическими процессами, достигаются стабилизация и оптимизация режимных параметров, улучшается использование оборудования по мощности и во времени. Все это приводит к увеличению выпуска продукции без дополнительного ввода производственных мощностей. Выпуск продукции при функционировании АСУ ТП растет главным образом вследствие повышения интенсивности работы оборудования, и в характерных случаях прирост составляет 2—8%.
Благодаря постоянному контролю за расходом Сырья, топлива, энергии, материалов, выявлению отклонений фактического их расхода от нормативного, соблюдению плановых норм расхода и доведению их до прогрессивного уровня при применении АСУ ТП обеспечивается сокращение материально-сырьевых и топливно-энергетических затрат на 2—4%. Необходимо отметить, что многие производства черной и цветной металлургии,
265
химии, нефтепереработки, где широко применяются АСУ ТП, отличаются высокой материалоемкостью. Затраты на сырье и материалы составляют в себестоимости основных производств этих отраслей 80—90%* Сокращение материально-сырьевых и топливно-энергетических затрат является поэтому важнейшей предпосылкой снижения себестоимости продукции, что особенно актуально в свете решений партии и правительства по совершенствованию хозяйственного механизма.
Использование передовых методов контроля и управления в создаваемых АСУ ТП, увеличение объема выполнения расчетных, диагностических и управляющих функций, более точное соблюдение технологического режима позволяют во многих случаях улучшить качество продукции, снизить отходы и брак. Например, благодаря АСУ установкой производства полиэтилена большой мощности «Полимир»1 достигается возможность ведения технологического процесса на новых режимах (вблизи границ устойчивости и без пульсаций давления в реакторе), что позволяет получать более однородный продукт: около 30% продукции выпускается с числом включений нуль; 70% с числом включений не более одного и 99% с числом включений не более пяти (допустимое число включений по ГОСТ составляет 7—10). Без АСУ ТП работа на этих режимах оказалась бы невозможной.
Анализ показывает, что АСУ ТП обычно не оказывают существенного влияния на уменьшение численности обслуживающего персонала. Основную долю снижения численности (около 90%) дают в настоящее время механизация трудоемких процессов, улучшение организации производства и труда. Однако именно АСУ ТП часто обеспечивают возможность ведения интенсивного технологического процесса при минимальной численности персонала.
Вместе с тем применение АСУ ТП приводит во многих случаях к важным социальным последствиям, обеспечивая освобождение обслуживающего персонала от тяжелого и однообразного труда, улучшение условий работы, повышение безопасности, изменение характера деятельности — повышение содержательности и творческого начала в труде. Опыт функционирования АСУ ТП
1 Описание системы см. в § 4.3.
266
показывает, что автоматизация делает труд рабочего более содержательным, творческим. У рабочих многих профессий на современных металлургических предприятиях, например сталеваров, операторов, сварщиков, большая часть рабочего времени (60—70%) занята умственным трудом — контролем за работой оборудования, оптимизацией режимов и др. К сожалению, социальные последствия, достигаемые при внедрении АСУ ТП, не имеют еще общепринятых способов количественной оценки.
Одна из особенностей работ по созданию АСУ ТП заключается в том, что их нельзя проводить в отрыве от проблем развития автоматизируемого производства. Техническая политика в области автоматизации управления конкретным технологическим процессом, агрегатом или производством должна рассматриваться как часть технического развития или перевооружения соответствующей отрасли промышленности. Если в прошлом автоматизация нередко понималась как некоторый автономный этап деятельности, к которому следует приступить на том или ином периоде использования уже действующего технологического оборудования, то теперь задача заключается в создании автоматизированных технологических процессов и агрегатов. В этой связи отметим, что создание АСУ ТП ведет также к благоприятному изменению структуры капитальных вложений в развиваемое производство: увеличивается доля затрат на приобретение наиболее дееспособной, активной части основных фондов (машин и оборудования) по сравнению с затратами в пассивную часть (строительство зданий, сооружений). Соотношение этих видов затрат в АСУ ТП достигает соответственно 90 и 10%, в то время как в народном хозяйстве в целом около 60% составляет вложение затрат в пассивные фонды. В существующих условиях хозяйствования и установления платы за производственные фонды, вносимой в бюджет, предприятиям далеко не безразлична структура основных фондов, поскольку плата взимается за все фонды, а эффективность их использования зависит, в первую очередь, от активной части.
Создание и функционирование АСУ ТП часто позволяют получить экономический эффект за счет экономии капитальных вложений в народное хозяйство. Увеличение объема производства и снижение материально
267
сырьевых и топливно-энергетических затрат, достигаемые с помощью АСУ ТП, приводят к народнохозяйственной экономии капитальных вложений, так как увеличение выпуска продукции и сокращение расхода сырья, материалов, энергии обеспечиваются при этом без дополнительного ввода производственных мощностей.
Так, например, внедрение АСУ кислородно-конверторной установкой выплавки стали1 обеспечивает экономию капитальных вложений в народном хозяйстве в размере около 380 тыс. руб.
Как уже отмечалось, создание АСУ ТП является сложной научно-технической и организационно-экономической задачей, решение которой требует значительных и все возрастающих затрат трудовых, материальных и финансовых ресурсов. Суммарные капитальные вложения на создание АСУ ТП возросли в целом по стране в девятой пятилетке по сравнению с восьмой в 5 раз, в десятой по сравнению с девятой более чем в 2 раза и становятся соизмеримыми с валовыми капитальными вложениями в развитие различных отраслей промышленности.
Совершенствование хозяйственного механизма в промышленности создает благоприятные условия для широкого развертывания работ по автоматизации, поскольку предприятия заинтересованы в проведении мероприятий, способствующих повышению эффективности производства, но вместе с тем повышает требования к научно-техническому уровню и экономической эффективности таких работ, требующих, как было показано, значительных затрат производственных ресурсов. Эти затраты непосредственно отражаются на себестоимости продукции и прибыли предприятия: возрастают амортизационные отчисления, затраты на текущий ремонт и содержание основных фондов системы, на обслуживание, потребляемую электроэнергию и другие, составляющие в общей сложности около 20% капитальных вложений на создание АСУ ТП. Это требует усиления внимания к вопросам их экономической эффективности, так как происходит систематическое ужесточение требований к ее уровню.
На данном этапе хозяйственного развития в качестве первоочередных выступают поэтому задачи наиболее
1 Описание системы см. в § 4.4.
268
эффективного использования производственных ресурсов при создании АСУ ТП, правильного выбора направлений, установления рациональной очередности и объемов работ по созданию АСУ ТП. В решении этих задач немаловажную роль играют обоснование, определение и анализ экономической эффективности АСУ ТП на основе единых и обоснованных методических принципов.
Специфика АСУ ТП как объекта технико-экономической оценки заключается, в частности, в необходимости учитывать параллельно-последовательный характер процесса разработки и внедрения АСУ ТП, которая развивается вместе с совершенствованием технологического объекта управления — изменением технологии, модернизацией оборудования, появлением новых задач, требующих решения.
Для анализа и разносторонней оценки технико-экономической эффективности АСУ ТП, определения достигаемого изменения степени полезного использования основных функциональных элементов производственного процесса — рабочей силы, материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, производственных мощностей, а также улучшения качества продукции применяется целый ряд показателей. Они должны обладать достоверностью, точностью и полнотой учета изменений в производстве, достигнутых в результате внедрения АСУ ТП, возможностью выявления и оценки влияния различных факторов на экономическую эффективность системы.
Основным показателем народнохозяйственной экономической эффективности АСУ ТП является годовой экономический эффект от внедрения системы, представляющий собой суммарную экономию в расчетном году всех производственных ресурсов: трудовых, материальных и финансовых, которую получают как предприятие, использующее АСУ ТП, так и предприятия, потребляющие произведенную с помощью АСУ ТП продукцию, т. е. народное хозяйство в целом, в результате создания и применения АСУ ТП и которая в конечном счете выражается в увеличении национального дохода. Показатель годового экономического эффекта используется для оценки целесообразности разработки каждой конкретной АСУ ТП, выбора наиболее эффективного варианта системы, оценки экономической эффективности научно-исследовательских работ по созда-
269
нию АСУ ТП и оценки эффективности научно-производственной деятельности организаций разработчиков систем, а также для определения размера премий по новой технике за разработку и внедрение АСУ ТП.
Другими важными показателями экономической эффективности АСУ ТП являются годовая экономия (годовой прирост прибыли), коэффициент эффективности и срок окупаемости.
Годовая экономия (годовой прирост прибыли) представляет собой прирост по сравнению с базовым вариантом прибыли (снижение себестоимости) потребителя АСУ ТП в результате функционирования системы. Показатель годовой экономии применяется при планировании развития производства, формировании фондов экономического стимулирования работников предприятий, изменении норм, нормативов и основных хозрасчетных показателей работы предприятия.
Коэффициент эффективности капитальных вложений на внедрение АСУ ТП характеризует годовой прирост прибыли (годовую экономию) от увеличения объема производства, снижения себестоимости и улучшения качества продукции, получаемый на каждый рубль капитальных вложений на внедрение АСУ ТП.
Срок окупаемости капитальных вложений на внедрение АСУ ТП характеризует период времени, в течение которого капитальные вложения на внедрение АСУ ТП возмещаются за счет годового прироста прибыли (годовой экономии) от увеличения объема производства, снижения себестоимости и улучшения качества продукции, достигаемых в результате применения системы.
Дополнительными показателями экономической эффективности АСУ ТП, характеризующими изменение степени полезного использования отдельных видов ресурсов и повышение технико-экономического уровня выпускаемой продукции в результате применения системы, являются увеличение объема производства, повышение производительности труда, снижение материале- и энергоемкости производства, повышение фондоотдачи, улучшение качества продукции.
Источники экономической эффективности, характер и степень воздействия АСУ ТП на технико-экономические показатели производства зависят от функциональных, алгоритмических, программных и технических решений, 270
а также от особенностей технологического объема управления. Обычно основной экономический эффект от применения АСУ ТП получается благодаря улучшению функционирования управляемого технологического объекта в результате вывода его из нерегламентированных режимов, вызванных внешними помехами.
В принципе технико-экономическая оценка АСУ ТП как единого самоорганизующегося человеко-машинного организма должна производиться по системе в целом. Вместе с тем при параллельно-последовательном характере процесса создания АСУ ТП и этапности (очередности) ее внедрения на практике часто возникает необходимость технико-экономической оценки отдельных очередей, подсистем или функций системы.
Годовой экономический эффект АСУ ТП как постоянно развивающейся системы при параллельно-последовательном характере процесса ее разработки и внедрения является функцией времени и определяется экономией, полученной за весь срок использования системы. Поэтому указанный показатель в принципе должен исчисляться как некоторое среднее значение за весь расчетный период использования АСУ ТП. Этот расчетный период представляет собой отрезок времени, в течение которого АСУ ТП улучшает технико-экономические показатели производства или способствует решению социальных и других задач. Этот период определяется максимальной продолжительностью действия решений, принимаемых в АСУ ТП. При определении расчетного периода учитывается средний срок экономически эффективной жизни АСУ ТП исходя из срока -морального износа.
Однако в соответствии с существующей практикой планирования и с учетом мероприятий научно-технического прогресса годовой экономический эффект принято определять только на один расчетный год — первый полный календарный год после окончания планируемого (нормативного) срока освоения системы. Годовой экономический эффект от применения АСУ ТП определяется по формуле
Э=77А-£ЛАд,
где /7А — годовая экономия (годовой прирост прибыли) СТ функционирования АСУ ТП, тыс. руб.; /САД— единовременные затраты, связанные с созданием и внедрением АСУ ТП, тыс. руб.; £н— среднеотраслевой норматив-
271
ный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений, равный 0,15.
Таким образом, при расчете годового экономического эффекта учитываются как текущие затраты предприятия на производство продукции с помощью АСУ ТП, так и плата за используемые хозяйственные ресурсы (пред-производственные затраты и капитальные вложения), необходимые для управления. Плата за используемые ресурсы показывает, насколько могут быть снижены текущие затраты на производство в результате увеличения единовременных вложений в связи с созданием АСУ ТП при фиксированных планом объемах и структуре производства в соответствующем году. Размер платы соответствует норме накоплений, которую они должны давать ежегодно для расширения производства в народном хозяйстве. С народнохозяйственной точки зрения эта плата выступает в виде плановой, нормируемой в общественном масштабе прибыли; с позиции отрасли и отдельного предприятия — в форме регламентированных затрат, т. е. плановой платы за используемый ресурс капитальных вложений. Размер этой платы обусловливается ограниченностью общего фонда накопления и многообразием потребностей в использовании ресурса капитальных вложений в каждый период времени.
Следует иметь в виду, что в связи со специфическими особенностями АСУ ТП, о которых говорилось ранее, в каждом конкретном случае приходится иметь дело по существу не с конкретными размерами экономии и эффекта, а с их функцией от времени, характера информации, числа и размерности задач, что выдвигает дополнительные требования к обеспечению сопоставимости расчетов.
В связи с ограниченностью фонда капитальных вложений оценка экономической эффективности АСУ ТП в конечном счете сводится к соизмерению экономии текущих расходов с вызвавшими эту экономию капитальными вложениями. Экономически эффективным вариантом АСУ ТП является тот, затраты на осуществление которого окупаются за счет прибыли в течение времени, меньшего чем нормативный срок окупаемости. Следовательно, при выборе наиболее эффективных вариантов обязательным является сопоставление получаемой экономии с размером необходимых капитальных вложений. Такое сравнение производится путем расчета показате-272
лей сравнительной экономической эффективности АСУ ТП.
Расчетный коэффициент экономической эффективности характеризует величину годовой экономии и определяется по формуле
Ер=ПА/КАк,
где КАк — капитальные вложения на создание АСУ ТП.
Для решения вопроса об экономической целесообразности выделения капитальных вложений на разработку АСУ ТП расчетный коэффициент экономической эффективности £р сопоставляется с нормативным значением коэффициента экономической эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники для данной отрасли £н.в.т, устанавливаемым Госпланом СССР. Этот коэффициент представляет собой нижнюю допустимую границу эффективности капитальных вложений на АСУ ТП. Создание АСУ ТП считается экономически целесообразным мероприятием, если расчетный коэффициент эффективности окажется не меньше нормативного:
Др^^Дн.в.т-
Если АСУ ТП обеспечивает решение социальных и других специальных задач, расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений допускается ниже нормативного.
Срок окупаемости капитальных вложений на разработку и внедрение АСУ ТП представляет собой отношение капитальных вложений на создание системы к годовой экономии:
Тр=КАк/ПА
Другими словами, срок окупаемости показывает период времени, в течение которого капитальные вложения на АСУ ТП возмещаются за счет годовой экономии. Следует иметь в виду, что при оценке срока окупаемости речь идет только о соизмерении капитальных вложений и текущих затрат.
8.2.	СОПОСТАВИМОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Разработка и внедрение АСУ ТП происходят в течение ряда лет в сложных изменяющихся организационнотехнических и экономических условиях производства. 18—1341	273
В производственной обстановке влияние АСУ ТП практически никогда не проявляется непосредственно, т. е. при равенстве всех прочих факторов. Поэтому для получения достоверных результатов определения экономической эффективности АСУ ТП необходимо добиться сопоставимых условий, установить или выделить из суммарного результата влияние исследуемого фактора, обусловленного АСУ ТП, на технико-экономические показатели технологического объекта управления. Существо задачи заключается в исключении или уравновешивании влияния неуправляемых и неконтролируемых факторов на технико-экономические показатели технологического объекта управления. Необходимость решения этой задачи каждый раз в конкретных условиях определяется тем, что случайное влияние этих факторов на технико-экономические показатели может быть соразмерно с эффектом применения АСУ ТП.
Обязательными требованиями при определении экономической эффективности АСУ ТП являются правильный выбор исходной базы для сравнения и соблюдение сопоставимости по организационнотехническим и экономическим условиям производства, времени осуществления затрат и получения результатов, а также по социальным факторам производства.
При определении экономической целесообразности разработки АСУ ТП и выявлении ее соответствия современному научно-техническому уровню базой для сравнения должны служить показатели лучшего (имеющего наименьшие приведенные затраты на единицу продукции) образца АСУ ТП отечественного (при наличии практической апробации) или зарубежного (при условии возможности использования зарубежного опыта путем закупки в необходимом количестве или разработки в СССР на основе приобретения лицензий). При отсутствии таких разработок в СССР и невозможности использования зарубежного опыта в качестве базы сравнения применяются показатели лучшей техники, имеющейся в СССР.
При определении экономической эффективности АСУ ТП, разрабатываемых для действующих и реконструируемых технологических объектов управления, базой служат планируемые на расчетный год показатели в условиях существующей системы управления с учетом их изменения к расчетному году в результате повышения
274
технического уровня производства и лучшего использования действующих производственных фондов.
При определении экономической эффективности АСУ ТП, создаваемых для проектируемых технологических объектов управления, базой служат показатели аналогов, в качестве которых принимаются передовые действующие технологические объекты, соответствующие проектируемому по характеру технологии, техническому уровню и имеющие лучшие технико-экономические показатели.
Во всех случаях технико-экономические показатели базового варианта принимаются с учетом повышения технического уровня производства и лучшего использования действующих производственных фондов, достигаемых к расчетному году. Улучшение технико-экономических показателей оценивается путем экстраполяции данных за предыдущие годы либо другими способами прогнозирования.
Определение экономической эффективности АСУ ТП должно производиться при одинаковых производственных режимах и условиях по сравниваемым вариантам управления (режим работы, обеспечения материальносырьевыми, топливно-энергетическими, трудовыми ресурсами и др.)- Периоды явно ненормальной работы технологических объектов управления, а также все явления, носящие случайный, разовый, нетипичный характер (например, реконструкция объекта), исключаются. Если функции АСУ ТП распространяются на нестационарные режимы (пуск, останов и т. д.), сравнение следует проводить по выделенным исследуемым показателям нестационарного режим.а.
Зафиксированные различия в сырьевых и технологических условиях производства учитываются с помощью корректирующих коэффициентов, характеризующих влияние изменения неуправляемых факторов на техникоэкономические показатели объекта управления. Сравниваемые показатели (базового или опытного периодов) корректируются на значение поправок по этим факторам. Значения коэффициентов и порядок корректировки обычно указываются в отраслевых методических указаниях.
При сложной номенклатуре и различных качественных параметрах выпускаемой продукции необходимо ее приводить к сопоставимому виду. Расчеты проводятся
18*	275
с помощью технических (производительность, трудоемкость, долговечность и др.) или стоимостных коэффициентов эквивалентности, характеризующих потребительские свойства и качество продукции, а также трудоемкость ее производства. При сравнении вариантов, различающихся объемами производства продукции, капитальные вложения и себестоимость продукции необходимо приводить к одинаковому объему.
При определении экономической эффективности АСУ ТП необходимо исключить влияние на сравниваемые показатели экономических факторов, не зависящих от данного производства. Для этого следует использовать одинаковые оптовые цены, тарифы, трудовые, материальные и финансовые нормативы, тарифные сетки и ставки, действующие на момент расчета.
Соизмерение затрат и результатов при технико-экономической оценке АСУ ТП осуществляется не только в момент их возникновения, но и с некоторым временным запаздыванием, обусловленным характером процесса разработки и внедрения АСУ ТП и длительностью действия вырабатываемых в АСУ ТП решений. При распределении по годам единовременных предпроизводст-венных затрат и капитальных вложений на создание АСУ ТП, а также при существенном изменении текущих издержек и экономических результатов производства от года к году вследствие изменения средних режимов работы технологического объекта управления необходимо приводить все эти затраты и результаты к одинаковому моменту времени — началу расчетного года в соответствии с коэффициентом приведения
где t — время между годами осуществления затрат или результатами и началом расчетного года, в годах; Е— нормативный коэффициент приведения разновременных затрат.
Коэффициент приведения соответствует среднему эффекту, который может быть получен в данной отрасли при условии производительного использования единовременных вложений на разработку и внедрение данной системы.
Единовременные вложения на разработку и внедрение АСУ ТП и текущие затраты, осуществляемые до на-276
чала расчетного года, так же как и результаты, получаемые до начала расчетного года, умножаются на коэффициент приведения, а после начала расчетного года делятся на этот коэффициент.
Необходимость учета фактора времени при определении экономической эффективности АСУ ТП объясняется экономической неравноценностью осуществляемых затрат и получаемой экономии в течение всего периода создания и функционирования системы. Так, в течение всего срока создания капитальные вложения, затраченные на АСУ ТП за первые годы, будут «заморожены» и, следовательно, исключены из процесса производительного использования. Действующие основные фонды обеспечивают выпуск продукции и создают определенные накопления, которые могут быть направлены на расширенное воспроизводство общественного продукта. В процессе же разработки и внедрения АСУ ТП (т. е. в процессе образования фондов) капитальные вложения не дают этих накоплений. Следовательно, чем меньше срок, на который «заморожены» ресурсы в виде капитальных вложений, тем выше их эффективность, тем раньше они могут переносить свою стоимость, реализуемую в стоимости продукции, и обеспечивать определенные накопления.
Приведение разновременных затрат и результатов, характеризующих разработку и внедрение АСУ ТП, выполняется только в расчетах годового народнохозяйственного экономического эффекта и не производится при расчете хозрасчетных показателей экономической эффективности.
Для объективного технико-экономического анализа АСУ ТП необходима систематическая работа на всех стадиях создания системы: предпроектных, проектных, внедрения. На каждой из них должен проводиться соответствующий технико-экономический анализ, отвечающий как общим целям создания системы, так и конкретным задачам данной стадии. При этом анализ и расчеты, выполняемые на каждой стадии, могут отличаться целями, исходными данными и методами их получения, степенью детализации и точностью. Выбор стадий для технико-экономического анализа АСУ ТП связан с возникновением необходимости принятия решения при изменении условий и возможностей создания и применения АСУ ТП.
277
При формировании народнохозяйственных планов определяется планируемая экономическая эффективность АСУ ТП.
Показатели планируемой экономической эффективности АСУ ТП учитываются при определении директивных заданий по эффективности новой техники, при разработке соответствующих заданий техпромфинпланов предприятий и объединений, а также при формировании фондов экономического стимулирования промышленных предприятий и объединений.
На стадии разработки ТЗ проводится технико-экономический анализ технологического объекта управления с целью выявления производственных потерь из-за отсутствия автоматизированного управления технологическим объектом или из-за недостатков существующей системы управления; для этого изучаются связи существующих потерь с качеством управления. Исходя из предварительного состава функций АСУ ТП устанавливаются производственные резервы, которые могут быть реализованы наиболее эффективно с помощью АСУ ТП; выполняется экономическое обоснование предварительного выбора технических средств системы; проводится предварительный технико-экономический анализ основных технических параметров, предусматриваемых техническим заданием; выполняется сравнительный техникоэкономический анализ разрабатываемой АСУ ТП и ее аналогов. На этой стадии определяется предварительная экономическая эффективность АСУ ТП.
Технико-экономический анализ на стадии технического задания позволяет выбрать такой подход к разработке АСУ ТП, при котором наиболее эффективно будут использоваться выделенные ресурсы. Для расчетов на предпроектной стадии используются данные техникоэкономического анализа технологического объекта управления, показатели аналогов, укрупненные нормативы и экспертные оценки.
На основе технического задания осуществляется проектирование системы. Синтез системы на этой стадии сопровождается исследованием различных вариантов системы и отбором наиболее эффективного по принятому критерию эффективности, определяющему близость полученного при синтезе решения к оптимальному.
Задачами технико-экономическо-го анализа АСУ ТП на стадии разработки технического проекта являются
278
уточненное определение показателей технико-экономической эффективности в зависимости от решений, принимаемых в ходе проектирования, обоснование выбора наиболее рационального по экономическому критерию варианта АСУ ТП и его конкурентоспособности по сравнению с другими вариантами. На стадии разработки технического проекта определяется ожидаемая экономическая эффективность системы.
Общий порядок технико-экономического анализа АСУ ТП на стадиях проектных работ включает в себя: установление назначения и задач анализа;
разработку методики и программы исследований; выбор базы для сравнения;
установление направлений влияния и источников экономической эффективности АСУ ТП;
технико-экономический анализ технологического объекта управления и аналогов;
оценку производственных потерь при существующей системе управления технологическим объектом управления и возможного их сокращения при применении АСУ ТП;
приведение исходных данных в сопоставимый вид и проверку полноты признаков сопоставимости;
определение единовременных вложений и текущих затрат, связанных с созданием и функционированием АСУ ТП;
расчет и анализ основных и дополнительных показателей технико-экономической эффективности АСУ ТП.
Источниками исходных данных при технико-экономическом анализе АСУ ТП на проектных стадиях являются: материалы исследований, проводимых по специальным программам (в программу исследований входят изучение технико-экономических характеристик и особенностей технологического объекта управления; наблюдение за технологическим процессом и оборудованием в автоматизированном и неавтоматизированном режимах; фотохронометражные наблюдения; статистическое моделирование и др.); данные технико-экономического анализа технологического объекта управления и аналогов; укрупненные нормативы и экспертные оценки. При наличии по технологическому объекту управления самостоятельного технико-экономического учета источником информации служат данные оперативного, бухгалтерского и статистического учета и отчетности, текущих и пер
279
спективных планов. Используется также проектная, сметная и нормативно-техническая документация. Все исходные данные, используемые для технико-экономического анализа АСУ ТП, должны быть подвергнуты тщательной оценке для установления степени их полноты, достоверности и сопоставимости.
На стадии анализа функционирования АСУ ТП по отчетным и экспериментальным данным определяется фактическая экономическая эффективность функционирования системы, представляющая собой реальную экономию затрат, полученную предприятием, объединением, народным хозяйством в результате использования АСУ ТП. При необходимости выполняется технико-экономическое обоснование развития и совершенствования системы. Определение экономической эффективности на этой стадии производится предприятием, использующим АСУ ТП, с участием организации-разработчика по истечении года нормального устойчивого функционирования системы после окончания планового (нормативного) срока ее освоения. Показатели фактической экономической эффективности АСУ ТП используются для установления реальной экономии от функционирования АСУ ТП, для уточнения объемов и очередности тиражирования АСУ ТП.
Общий порядок технико-экономического анализа на стадии функционирования АСУ ТП такой же, как на проектных стадиях, но включает дополнительно работы: экспериментальное определение фактического изменения технико-экономических показателей технологического объекта управления при функционировании АСУ ТП;
•разработку рекомендаций по созданию технических и организационно-экономических предпосылок эффективного функционирования АСУ ТП;
разработку рекомендаций по рационализации функциональной, алгоритмической и технической структур системы.
8.3.	РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСУ ТП
Расчет экономической эффективности АСУ ТП в общем случае содержит следующие разделы:
I.	Введение.
II.	Характеристика технологического объекта управления.
280
III.	Характеристика АСУ ТП.
IV.	Характеристика и обоснование источников экономической эффективности АСУ ТП.
V.	Исходные данные для расчета экономической эффективности.
VI.	Расчет показателей экономической эффективности АСУ ТП.
VII.	Заключение об уровне экономической эффективности АСУ ТП.
В разделе I приводят общую характеристику работы (основание для ее проведения, наименование стадии, на которой проводится расчет, наименования организаций— участников работы), а также перечень методических и нормативно-технических документов, используемых при выполнении расчета.
В разделе II приводятся сведения о назначении и типе (действующий, строящийся, реконструируемый) объекта, сроке его ввода в действие с АСУ 1П, даются краткая характеристика технологической и организационной структур производства, приводятся данные об используемых ресурсах (сырье, топливо, энергия и т. п.), характеристика существующего уровня автоматизации управления объектом, его основные технико-экономические показатели.
В разделе III указывают наименование и назначение АСУ ТП, основание для создания АСУ ТП, перечень основных исполнителей (разработчик, генеральный проектировщик, заказчик), сроки начала и окончания работ, тип АСУ ТП (оригинальная, повторного применения, типовая), ее основные функции, укрупненный состав и структурную схему комплекса технических средств, единовременные вложения на создание системы, штатное расписание оперативного персонала АСУ ТП.
В разделе IV раскрываются факторы экономической, технической и социальной эффективности и АСУ ТП.
В разделе V содержатся сведения о методических особенностях определения экономической эффективности данной АСУ ТП применительно к конкретному ТОУ и перечень используемой информации (оперативные, бухгалтерские, статистические данные и др.), технико-экономические показатели аналогичных объектов, действующие нормативы.
В разделе VI определяются составляющие технической и экономической эффективности АСУ ТП и произ
281
водится конкретный расчет показателей эффективности на основе соответствующих методик. Экономическая эффективность АСУ ТП определяется в результате анализа изменения качества управления при функционировании АСУ ТП.
В разделе VII содержатся выводы о соответствии показателей экономической эффективности установленным нормативам.
К расчету эффективности при необходимости прилагаются копии документов (справок, актов и др.), документально подтверждающих принятые в расчете исходные данные и полученные результаты, а также перечень нормативно-справочных материалов, использованных в расчете, кроме приведенных в типовой методике и в отраслевых методических указаниях.
Далее рассматриваются два примера расчета показателей экономической эффективности АСУ ТП1.
Пример расчета экономической эффективности АСУ ТП теплового энергоблока
I.	Введение
При расчете использованы следующие методические материалы:
1.	Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений.— М.: Экономика, 1977 г.
2.	Технико-экономическое обоснование автоматизированных систем управления технологическими процессами. РТМ 25.207-75. — М.: Минприбор, 1976 г.
3.	Методика определения экономической эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами тепловых электростанций —М.: Минэнерго, 1978 г.
4	Методика определения показателей экономической эффективности АСУ энергоблоками в стационарном режиме эксплуатации.— М.: ЦНИИКА— ВТИ, 1974 г.
И, Характеристика технологического объекта управления
Теплоэнергетический блок мощностью 300 МВт, введенный в действие в 1973 г., состоит из однокорпусного котла типа Пп 990/255-П-59 паропроизводительностью 990 т/ч, турбогенератора К-300-240-1, генератора ТВВ-320-2 и вспомогательного оборудования. Топливом является бурый подмосковный уголь теплотворной
1 Примеры носят учебный характер и приводятся в сокращенном виде.
282
способностью около 9,7-103 кДж/кг (2310 ккал/кг). Организационно-производственная структура типовая.
Структура управления и контроля определена блочным принципом компоновки технологического оборудования; энергоблок оснащен традиционной аппаратурой контроля и управления.
Основной объем контроля и управления сосредоточен на блочных щитах управления (БЩУ): один на два блока. Контроль наиболее ответственных параметров осуществляется с помощью индивидуальных, показывающих и самопишущих приборов, размещенных на оперативных панелях БЩУ. Контроль остальных параметров на БЩУ осуществляется с помощью многошкальных и цифровых приборов, а параметров, необходимых для периодического осмотра, — индивидуальными приборами на местных щитах.
Дистанционное управление для важнейших аппаратов объекта индивидуальное, для остальных — по избирательной системе; для контроля за положением объекта управления на БЩУ предусмотрена мнемосхема
Система автоматического регулирования выполнена с использованием аппаратуры системы РП-2 ЧЗЭИМ. Схемы технологических защит, сигнализации и блокировок выполнены в соответствии с типовыми условиями защит блоков мощностью 300 МВт с использованием релейной аппаратуры.
Недостатки существующей системы управления и связанные с ними производственные потери состоят в том, что отсутствует информация, необходимая для оптимального управления энергоблоком, низка надежность работы энергооборудования, имеются непредусмотренные остановы, аварии. Простои энергоблока из-за аварийных ситуаций, время нахождения различного оборудования (котла» турбины, арматуры, трубопроводов и т. д.) в поврежденном состоянии составляет 14,5% номинального времени работы; из-за нарушения режимов эксплуатации и ошибок персонала происходит 35% всех остановов энергоблока. Продолжительность пусков и остановов значительно выше нормативов. Пережог топлива превышает нормативы на 5—10%.
Характеристика основных технико-экономических показателей
ТОУ до внедрения АСУ Т I (базового варианта)
Производственная мощность энергоблока, МВТ............... 300
Годовой объем отпущенной электроэнергии, кВт-ч . . . . 1,7-1 С9
Себестоимость 1 кВт-ч отпущенной электроэнергии, коп. 0,906
Удельный расход топлива (условного), г/(кВт-ч).........	357
Цена 1 т условного топлива, руб......................... 22,4
III.	Характеристика АСУ ТП
Автоматизированная система управления теплоэнергетическим блоком мощностью 300 МВт предназначена для управления энергоблоком во всех эксплуатационных режимах, как нормальных, так и аварийных, включая пуски и остановы, плановые и внеплановые изменения нагрузки.
Основанием для создания АСУ ТП являются решения Минэнерго СССР и Минйрибора СССР.
Основные исполнители: Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации (ЦНИИКА) — основной раз-
283
работник, Московское отделение ВГПИ Теплоэлектропроект. (МОТЭП) — генеральный проектировщик, Московское отделение АСУ Энергосетьпроект — разработчик-соисполнитель, Рязанская ГРЭС — заказчик.
Тип АСУ ТП — АСУ ТП повторного применения; сроки начала и окончания работ 1973—1975 гг.
Основные функции и задачи, решаемые АСУ ТП, а также укрупненный состав и структурную схему комплекса технических средств см. в § 4.1.
Единовременные вложения на создание АСУ ТП составляют 970 тыс. руб., в том числе предпроизводствснные затраты в соответствии со сметой затрат на научно-исследовательские и опытноконструкторские работы составляют 210 тыс. руб., а капитальные вложения в соответствии со сметами к техническому проекту АСУ ТП 760 тыс. руб.
Штатное расписание оперативного персонала АСУ ТП в соответствии с техническим проектом предусматривает численность персонала участка АСУ ТП 11 человек, в том числе пять ИТР и шесть рабочих.
IV.	Характеристика и обоснование источников
экономической эффективности АСУ ТП
Факторы экономической эффективности АСУ ТП: повышение экономичности, надежности и увеличение рабочей кампании энергоблока; факторы технической эффективности: сокращение времени и улучшение организации пуска, останова блока, перехода с режима па режим при условии повышения оперативности и достоверности информации.
Факторы социальной эффективности АСУ ТП состоят в улучшении условий труда его организации, техники безопасности и повышении содержательности труда; при этом предусматриваются создание условий и требований для повышения квалификации персонала, изменение профессионального состава работающих, а также улучшение оценки труда, повышение заинтересованности персонала в результатах его работы.
V.	Исходные данные для расчета экономической эффективности
Как указывалось ранее, в результате внедрения АСУ ТП в общем случае уменьшаются колебания расхода топлива, увеличивается среднестатистическое значение КПД котлоагрегата, уменьшается годовой расход топлива, вследствие чего уменьшаются затраты на него в себестоимости электроэнергии.
Определение ожидаемой экономической эффективности при проектировании АСУ ТП основано на использовании исходных данных оперативного, бухгалтерского и статистического учета и отчетности ГРЭС, технико-экономических показателей аналогичных объектов н укрупненных нормативов.
Исходные данные для расчета приведены в табл. 8.1, а укрупненные нормативы эффективности реализации задач АСУ ТП в табл. 8.2.
284
Таблица 8.1. Исходные данные для расчета экономической эффективности АСУ ТП
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	Значение	Источник информации
Годовой объем реализуемой ироду кц^ по базовому варианту	А*	тыс. руб.	32300,0	Статистическая отчетность
Себестоимость отпущенной элект-троэнергии	S	коп/(кВт»ч)	0,906	Капькуляция себестоимости продукции (э чектри теской и теп-ово! энергии) на станции
Удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии	Ь	г/(кВт’и)	357,0	Статистическая отчетность
Удельный расход условного топлива замещаемой мощности в энергосистеме	^зам	г/(кВт-ч)	395,0	По данным нау». но-ис еле доватеть-ских институтов
Цена условного топлива	ц	руб/т	22,4	Калькуляция себестоимости продукции (электрической и тепловой энергии) на станции Прейскурант оптовых цен на угли, продукты обогащения угчей и брикеты Прейскурант оптовых цен на нефтяное котельное топливо (мазут)
Цена замыкающего топлива в энергосистеме	ИзЫК	руб/т	28,3	Рекомендация научно-исследовательских институтов
Затраты топлива на производство электроэнергии	с.	тыс. руб.	13 664	Калькуляция себестоимости продукции (электрической и тепловой энергии) на станции
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения
Затраты на основную и дополнительную заработную плату ст делениями) производственных рабогих	^З.П	1
Затраты на текущий ремонт производственного оборудования	^Т.р	тыс. руб.
Затраты на капитальный ремонт производетвенного оборудования	Ос.р	
Затраты на содержание цехового и общезаводского персонала	С’ц р	
Расходы на амортизацию основных фондов	Иа	
Расходы на текущий ремонт и содержание основных фондов АСУ ТП	^т.р	тыс руб.
11родолженае табл. 8.1
Значение	Источник информации
200,0	Калькуляция себестоимости продукции (электрической и тешювой энергии) на станции
450,0	То же
1440,0	» п
300,0	п »
76,0	Спецификация и сметы технического проекта Нормы амортизационных отчислений по основным фондам народного хозяйства СССР
45,6	Опредечяются прямым подсчетом на основании спецификации и смет технического проекта, нормативов числа и длительности текущих ремонтов, ставок заработной платы вспомогательных и ремонтных рабочих, сметы расходов на услуги сторонних организаций
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	
Расходы на заработную плату оперативного персонала	^з.п		
Отчие ления на социа явное стракование	//с		
Прочие текущие расходы	^п.р		ТЫС. руб.
ПредпроизБедственные затраты			
Капитальные вложения	КА 4Хк		
ПроЭолженае тчбл. 8 Л
Значение	Исто ишк информации
21,5	Штатное расписание оперативного персонала АСУ ТП
3,0	Тарифы взносов на государственное социальное страхование
11,4	Определяются прямым подсчетом на основании норм энергопотребления» освещения, отопления, нормативов расхода вспомогательных материалов и др.
210,0	Сметы затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы; «етатаки ни разработку и-про-сктировапие АСУ ТП
760,0 '	Спецификации и сметы технического проекта
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения
Капитальные вложения		тыс. руб.
Нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений		руб. вгод/руб
Отраслевой нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники в электроэнергетике (на 1981— 1985 гг,)	^н.в.т	руб. в год/руб
Продолжение табл, 8.1
Значение	Источник информации
760,0	Прейскуранты оптовых цен на средства вычислительной техники, приборы контропя и регулирования, кабельные изделия. Ценник на монтаж приэоров и средств автоматизации. Ценник на наладку приборов и средств автоматизации
0,15	Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений.— М.: Экономика, 1977.—45 с.
0,39	Нормативные данные
Its I —61
Таблица 8.2. Укрупненные нормативы эффективности реализации задач АСУ ТП ТЭС*
Наименование коэффициента	Условное обозначение	Предельное значение	Значения коэффициентов по группам задач		
			Оперативный контроль, регулирование, управление	Планирование, нормирование, прогнозирование	Учет, отчетность, анализ
Коэффициент прироста объема реализуемой продукции		0,002—0,005	0,001—0,003	0,0003—0,0005	0,0007—0,0015
Коэффициент сокращения расхода топлива	₽т	0,004—0,011	0,002—0,006	0,0015—0,0035	0,0005—0,0015
Коэффициент снижения затрат на оплату труда производственного персонала	®з.п	0,005—0,01	0,001—0,002	0,0015—0,003	0,0025—0,005
Коэффициент снижения затрат на текущий ремонт оборудования	ат.р	0,02—0,06	0,003-0,005	0,007—0,025	0,01—0,3
Коэффициент снижения затрат на капитальный ремонт оборудования	ак.р	0,01—0,05	—	0,003-0,02	0,007—0,03
Коэффициент снижения затрат на оплату труда в общецеховых и общестанционных расходах	аЦ.р	0,005—0,01		0,0015—0,003	0,0035—0,007
оо 1 в соответствии с рекомендациями ЦДУ ЕЭС СССР и Бел. ЭНИН, подготовленными на основе данных ЦИНИКА, КИА, Бел.ЭНИН.
VI.	Расчет показателей экономической эффективности АСУ ТП
1.	Определение составляющих годового экономического эффекта.
Согласно методикам, приведенным в разделе I (Введение), основным показателем экономической эффективности АСУ ТП является годовой экономический эффект, рассчитываемый по формуле
Э = /7А —£нКд ,
где 77а — годовая экономия (годовой прирост прибыли) от функционирования АСУ ТП, тыс. руб.; —единовременные дополнительные вложения на разработку и внедрение АСУ ТП, тыс. руб.; Ен— нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.
Годовая экономия от функционирования АСУ ТП обеспечивается за счет увеличения годового объема реализуемой продукции — отпуска электрической и тепловой энергии и снижения издержек производства.
Годовая экономия от функционирования АСУ ТП рассчитывается по формуле
ЛА= (Аг-АО + (Д2-Д1)'+ (Сх-СО,
где Ai, 42— годовой объем реализуемой продукции по базовому варианту и при функционировании АСУ ТП, тыс. руб.; А4'= =(А2—Аху — энергосистемная составляющая изменения объема реализуемой продукции, тыс. руб.; С], С2 — себестоимость годового объема реализуемой продукции по базовому варианту и при функционировании АСУ ТП, тыс. руб.
Единовременные вложения, связанные с разработкой н внедрением АСУ ТП, рассчитываются по формуле
к*=к*+к*
где — предпроизводственные затраты на разработку АСУ ТП, тыс. руб.; КА— капитальные вложения на внедрение АСУ ТП, тыс. руб.
2.	Расчет изменения годового объема реализуемой продукции. Изменение годового объема реализуемой продукции рассчитывается по формуле
ДА=А2—Ар, 42=4i/(1-A1),
где 4i — годовой объем реализуемой продукции по базовому варианту, тыс. руб. (см. табл. 8.1); Ki— коэффициент прироста реализуемой продукции по электроэнергии в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,005 (см. табл. 8.2).
Таким образом,
32 300
А2 = j__g qq’s = 32 462 тыс. руб.; ДА = 32 462 — 32 300 =
= 162 тыс. руб.
290
Энергосистемная составляющая изменения годового объема реализуемой продукции рассчитывается по формуле
ДЛ' = (Л2 - Л)' =	(бзам - ьц/цзж) азык- ю-\
где S — себестоимость отпущенной электроэнергии, коп/(кВт-ч); Ь— удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии, г/(кВт-ч); Ц — цена условного топлива, руб/т; 6 за м — удельный расход условного топлива замещаемой мощности в энергосистеме, г/(кВт-ч); Цзмк цена замыкающего топлива в энергосистеме, руб/т (см. табл. 8.1);
д 32462-0,005/ ~	22,4\	.
ДЛ' = —б~906------(395 — 357 gg-g I 28,3-10~4 == 57,3 тыс. руб.
3.	Расчет изменения себестоимости годового объема реализуемой продукции.
Изменение себестоимости годового объема реализуемой продукции рассчитывается по элементам затрат, на которые оказывает влияние внедрение АСУ ТП, по формуле
п
ДС = С, - С2 = 2 ДСг - Яд = ДСТ + ДС'Т + дс3.п+ ' i=l
+ ДСТер + ДСк.р + Д^ц.р — #д,
где ДСт — изменение себестоимости по статье «Топливо на технологические цели», тыс. руб. в год; ДС'Т — энергосистемная составляющая изменения себестоимости по статье «Топливо на технологические цели», тыс. руб. в год; ДС3.п— изменение себестоимости по статьям «Основная заработная плата производственных рабочих», «Дополнительная заработная плата производственных рабочих», «Отчисления на социальное страхование с заработной платы производственных рабочих», тыс. руб. в год; ЛСТ.Р—изменение себестоимости по статье «Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования», тыс. руб. в год; ДСК Р — энергосистемная составляющая изменения себестоимости по статье «Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования», тыс. руб. в год; ДСЦ р — изменение себестоимости по статьям «Цеховые расходы» и «Общезаводские (общестанционные) расходы», тыс. руб. в год; Ид — текущие дополнительные расходы на функционирование АСУ ТП, тыс. руб. в год.
Находим численные значения этих величин.
Изменение себестоимости по статье «Топливо на технологические цели» рассчитывается по формуле
ДСт==С?тРтэ
где Ст — затраты топлива на производство электроэнергии в расчетном году1, тыс. руб. |(см. табл. 8.1); !РТ— коэффициент сокращения расхода топлива в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,009 (см. табл. 8.2).
Отсюда Следует, что ДСТ = 13 664-0,009= 123,0 тыс. руб.
1 Расчетным годом является первый полный календарный год после окончания планового (нормативного) срока освоения АСУ ТП. 19*	291
Энергосистемная составляющая изменения себестоимости по статье «Топливо на технологические цели» рассчитывается по формуле
______ СтВт /^зам Л п ди т — Ц I — II U3MK’
Отсюда получаем:
13 664-0,009 /395	\
ДС'Т =-----22~4---- ( 357 “ 1 ) 28,3=16,4 тыс. руб. (см. табл. 8.1)
Изменение себестоимости по статьям «Основная заработная плата производственных рабочих», «Дополнительная заработная плата производственных рабочих», «Отчисления на социальное страхование с заработной платы производственных рабочих» рассчитывается по формуле
ДСз п=С3 п®з.п»
где Сзп — затраты на основную и дополнительную зарплату с отчислениями в расчетном году, тыс. руб. (см. табл. 8.1); а3 п — коэффициент относительного снижения затрат на оплату труда производственного персонала в себестоимости электроэнергии в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,01 (см. табл. 8.2).
Таким образом,
ДСз п=200- 0,01—2,0 тыс. руб.
Изменение себестоимости по статье «Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования» (текущий ремонт) рассчитывается по формуле
ДСт.р=Ст.р(1т р,
где Ст р — затраты на текущий ремонт производственного оборудования в расчетному году, тыс. руб. (см. табл. 8.1); ат р — коэффициент снижения затрат на текущий ремонт в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,05 (см. табл. 8.2).
Тогда
ДСт.р=450-0,05=22,5 тыс. руб.
Энергосистемная составляющая изменения себестоимости по статье «Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования» (капитальный ремонт) рассчитывается по формуле
ДСк.р=Ск.р(Хк р,
где Ск р — затраты на капитальный ремонт производственного оборудования в расчетном году, тыс. руб. (см. табл. 8.1); ак р — коэффициент снижения затрат на капитальный ремонт производственного оборудования в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,05 (см. табл. 8.2).
Следовательно,
ДСк.р= 1440-0,05=72,0 тыс. руб.
Изменение себестоимости по статьям «Цеховые расходы» и «Общезаводские (общестанционные) расходы» рассчитывается по формуле
ДСц.р=Сц.рац.р,
292
где Сц р — затраты на содержание цехового и общестанционного персонала в расчетном году, тыс. руб. (см. табл. 8.1); ац р — коэффициент относительного снижения затрат на оплату труда в обще-' цеховых и общестанционных расходах в себестоимости электроэнер*» гии в результате функционирования АСУ ТП, равный 0,01 (см», табл. 8.2).
Тогда
АСц.р=300-0,01=3,0 тыс. руб.
Текущие дополнительные расходы Ил на функционирование АСУ ТП представлены в табл. 8.3.
Таблица 8.3
Наименование статьи расхода	Условное обозначение	Сумма, тыс. руб.	Примечание
Расходы на амортизацию основных фондов	Яа	76,0	10%~стоимости ос-новных[фондов АСУ ТЦ
Расходы на текущий ремонт и содержание основных фондов	Ят.р	45,6	6 % стоимости основных фондов АСУ ТП
Расходы на заработную плату оперативного персонала АСУ ТП	Яз.п	21,5	См. табл. 8.1
Отчисления на социальное страхование	Яс	3,0	14 % основной и дополнительной заработных плат
Прочие текущие расходы (на потребляемую электроэнергию, материалы, эксплуатацию вспомогательного оборудования и др.)	Япр	11,4	1,5 % стоимости основных фондов АСУТП
Итого:	Яд I	157,5 I	
Тогда изменение себестоимости годового объема реализуемой продукции по элементам затрат, на которые оказывает влияние внедрение АСУ ТП, определяется по формуле
АС=ДС,т—ДС,т—|—ДСз.п+ДСт.р—}-:ДСк.р-J-АСц.р—//д=г =123,0+16,4+2,0+22,5+72,0+3,0—157,5=81,4 тыс. руб.
4.	Единовременные вложения на разработку и внедрение АСУ ТП Кд составляют 970 тыс. руб., в том числе предпроизБедственные затраты составляют 210 тыс. руб., а капитальные вложения К* 760 тыс. руб. (см. раздел III).
Предпроизводственные затраты представляют собой единовременные расходы, связанные с исследованием, разработкой и отладкой АСУ ТП. В их состав включаются расходы на предпроектные
293
шаучные исследования (исследование ТОУ и аналогов, постановка задач управления, разработка задания на проектирование), разработку алгоритмов и др.; затраты рассчитываются в соответствии с действующей методологией определения сметной стоимости научно-исследовательских я опытно-конструкторских работ.
Капитальные вложения на внедрение АСУ ТП включают в себя стоимость приобретения технических средств АСУ ТП с учетом транспортных и заготовительно-складских расходов и стоимости строительно-монтажных работ.
5.	Годовая экономия (годовой прирост прибыли) от функционирования АСУ ТП, рассчитанная в соответствии с формулой, приведенной в разделе VI, равна:
Па==)(42-А1)+(А2-А1),+(С1-С2) = =162,0+57,3+81,4=300,7 тыс. руб.
6.	Годовой экономический эффект от функционирования АСУ ТП в соответствии с формулой, приведенной в разделе VI, составляет:
Э = ПА — £НКА =300,7 — 0,15-970,0= 155,2 тыс. руб., где /7А=300,7—годовая экономия (годовой прирост прибыли) от функционирования АСУ ТП, тыс. руб.; =970,0 — единовременные вложения на разработку и внедрение АСУ ТП, тыс. руб.; Ен— нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (см. табл. 8.1).
7.	Срок окупаемости Т капитальных вложений на внедрение АСУ ТП, показывающий период времени, в течение которого капитальные вложения на АСУ ТП окупаются за счет годовой экономии от увеличения объема реализуемой продукции и снижения издержек производства, рассчитывается по формуле
т=к^/п\
откуда (см. табл. 8.1) находим:
7=760,0/300,7=2,5 года.
Коэффициент Ер экономической эффективности капитальных вложений на внедрение АСУ ТП, характеризующий экономию от увеличения объема реализуемой продукции и снижения издержек производства, получаемой на 1 руб. капитальных вложений, рассчитывается по формуле
Ev = nkIK^\lT.
Тогда
Ер=300,7/760,0=0,40.
8.	Полученные основные показатели экономической эффективности АСУ ТП сведены в табл. 8.4.
VII. Заключение об уровне экономической эффективности АСУ ТП
Для решения вопроса об экономической целесообразности выделения капитальных вложений на создание АСУ ТП расчетный коэффициент экономической эффективности Ер сопоставляется с нор-294
Таблица 8.4
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	Значение показателя после внедрения АСУ ТП
Годовой экономический эффект	Э	тыс. руб.	155,2
Годовая экономия (годовой прирост прибыли)	пк	тыс. руб.	300,7
Расчетный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений на внедоение АСУ ТП	Ер	руб, В год/руб	0,40
Срок окупаемости капитальных вложений на внедрение АСУ ТП	т	в годах	2,5
Единовременные дополнительные вложения на разработку и внедрение в том числе:		тыс. руб.	970,0
предпроизводствен-ные затраты	К*	тыс. руб.	210,0
капитальные вложения	К*	тыс. руб.	760,0
Годовые дополнительные эксплуатационные расходы на функционирование АСУ ТП	Ил	тыс. руб.	157,7
мативным значением отраслевого коэффициента эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники Ен в т (см. табл. 8.1).
Расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений на создание АСУ ТП энергоблоком Ер=0,40, что выше установленного Госпланом СССР отраслевого нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники в электроэнергетике Ен.в т=0,39. Следовательно, создание АСУ ТП является экономически эффективным мероприятием.
Пример расчета экономической эффективности АСУ ТП кислородно-конверторной установки
L Введение
При расчете использованы следующие материалы:
1.	Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. — М.: Экономика, 1977 г.
295
2.	Технико-экономическое обоснование автоматизированных си» стем управления технологическими - процессами. - РТМ 25.207-75. — М.: Минприбор СССР, 1976 г.
3.	Типовая инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений в черной металлургии. — М.: Мин-чермет СССР, 1972 г.
II.	Характеристика технологического объекта управления
Кислородно-коиверторная установка для выплавки стали емко» стью 400 т, действующая с 1978 г. Организационно-производственная структура — типовая.
Сырьем является металлическая шихта, состоящая из жидкого чугуна и твердого металлического лома, сыпучих материалов-охладителей (железная руда, окатыши), шлакообразующих добавочных материалов (известняк, шпат и др.).
Кислородно-конверторная установка оснащена приборами контроля расхода и давления кислорода, положения фурмы, установками для замера температуры чугуна в ковше и отбора проб чугуна, датчиками температуры, состава и расхода газа.
Анализ недостатков существующей системы управления и связанных с ними производственных потерь показывает, что отсутствует необходимая для оптимального управления конвертором информация, имеются остановы, недостаточно точно устанавливается момент окончания продувки и повалки конвертора. С первой по-валки с заданными параметрами по углероду и температуре выпускается не более 65% всех плавок, остальные 35% додуваются. Дополнительно затрачиваемое время на доводку, отбор проб и анализ составляет 15—20% длительности всей плавки.
Характеристика основных техникоэкономических показателей ТОУ до внедрения АСУ ТП (базового варианта)
Емкость конвертора, т....................... 400
Продолжительность плавки, мин............... 41,5
Годовая производительность кислородно-конверторной установки, тыс.т ............... 2256,9
Кампания кислородно-конверторной установки (число плавок между ремонтами).............. 1000
Расход металлошихты, т/т стали................ 1,133
III.	Характеристика АСУ ТП
Автоматизированная система управления кислородно-конверторной установкой предназначена для управления технологическими процессами выплавки стали определенного химического состава и температуры.
Основанием для создания АСУ ТП является совместный приказ Минприбора СССР, Минчермета СССР, Минтяжмаша СССР, Мин-электротехпрома СССР, Минмонтажспецстроя СССР.
Основные исполнители: ЦНИИКА — основной разработчик, Государственный союзный институт по проектированию металлургических заводов (ГИПРОМЕЗ) — генеральный проектировщик, Центральное проектно-конструкторское бюро (ЦПКБ) — разработчик-296
соисполнитель, Новолипецкий металлургический завод (НЛМЗ) — заказчик.	i
Тип АСУ ТП —оригинальная АСУ ТП; сроки начала и окончания работ 1975—1978 гг.
основные функции и задачи, решаемые АСУ ТП, а также укрупненный состав и структурная схема комплекса технических средртв изложены в гл. 4.	I
Единовременные вложения на создание АСУ ТП составляют 1950 тыс. руб., в том числе предпроизводственные затраты составляют 550 тыс. руб., а капитальные вложения 1400 тыс. руб.
Численность персонала участка АСУ ТП по штатному расписанию составляет восемь человек, в том числе пять ИТР и трое ра*1 бочих.
IV,	Характеристика и обоснование источников экономической эффективности АСУ ТП
Факторы экономической эффективности АСУ ТП: повышение экономичности, надежности, долговечности работы кислородно-конверторной установки; факторы технической эффективности: автоматическая проверка готовности основных функций системы к работе; обнаружение неисправностей оборудования системы; повышение one* ративности и достоверности информации.
Факторы социальной эффективности АСУ ТП состоят в улучшении условий и организации труда, техники безопасности, создании условий и требований для повышения квалификации персонала.
V.	Исходные данные для расчета экономической эффективности
Определение фактической экономической эффективности при функционировании АСУ ТП производится по отчетным оперативным, бухгалтерским, статистическим и экспериментальным данным ТОУ по истечении планируемого (нормативного) срока освоения АСУ ТП.
Исходные данные для расчета приведены в табл. 8.5.
VI.	Расчет показателей экономической эффективности АСУ ТП1
1.	Определение составляющих годового экономического эффекта.
Составляющие годового экономического эффекта рассчитываются в соответствии с методиками (см. раздел I) на основании сравнения отчетных данных по базовому варианту (до внедрения АСУ ТП) и после внедрения АСУ ТП.
2.	Расчет экономии от увеличения объема производства.
Применение АСУ ТП привело к интенсификации технологического процесса, более точному соблюдению технологического режима, увеличению числа плавок, попадающих в заданные пределы по углероду и температуре, снижению средней продолжительности плавки. По отчетным данным кислородно-конверторного цеха в результате внедрения АСУ ТП длительность плавки уменьшилась с 41,5 до 40,4 мин, что привело к приросту выплавки стали, рассчитываемому по формуле
v	ДВ=[(/1—^2)	л Ушл»
1 В расчете представлены усредненные исходные данные.
297
<| Таблица 8.5. Исходные данные для расчета экономической эффёкТийУОсти АСУ ТП
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	Значение	Источник информации
Годовой объем выплавки стали по базовому варианту	В,	тыс.т	2256,9	Калькуляция себестоимости продукции (конверторной стали)
Число плавок, выплавляемых конвертором в год по базовому варианту	^пл	плавок	6881,0	Техшиеский отчет цеха
Среднегодовая длительность плавки по базовому варианту		мин	41,5	То же
Среднегодовая масса плавки по базовому варианту	^1ПЛ	т	328,0	W	»
Расход кислопода на плавку по базовому варианту в нормальных условиях	Qt	мэ	19 318	» »
Условно-постоянные затраты в себестоимости 1 т (без стоимости огнеупоров)		руб/т	6,6	Калькуляция себестоимости продукции (конверторной стали)
Стоимость 1 м3 кислорода в нормальных условиях		руб/м3	0,0156	То же
Условно-постоянные затраты на огнеупоры для футеровки конвертора в себестоимости стали по базовому варианту		руб/т	0,96	» »
Стоимость металлошихты за вычетом отходов и брака		руб/т	63,55	» »
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	
Расходы на амортизацию основных фондов АСУ ТП	Иа		
Расходы на текущий ремонт и содержание основных фондов АСУ ТП	Их,р		тыс. руб.
Расходы на заработную плату оперативного персонала			
Отчисления на социальное страхование	ис		
Прочие ..текущие расходы			
- - -			
Значение	Источник информации
140,0	Спецификации и сметы технического проекта. Нормы амортизационных отчислений по основным фондам хозяйства СССР
84,0	Определяются прямым счетом на основании отчетных данных о числе и длительности текущих ремонтов, ставок заработной платы вспомогательных и ремонтных рабочих, расходов на услуги сторонних организаций
13,7	Штатное расписание оперативного персонала АСУ ТП
1,9	Тарифы взносов на социальное страхование
21,0	Определяются прямым счетом на основании отчетных данных по расходам на энергопотребление, освещение, отопление, вспомогательных материи лов и Др;
1
Показатель	Услоьаое обозначение
Предпроизводствениые затраты	КА *'п
Капитальные вложения	
Нормативный коэффициент эконо* мической эффективности капитальных вложений	
Отраслевой нормативный коэффи*, циеят экономической эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной тех*	
ники в черной металлургии
Продолжение табл. 8.5
Единица измерения		Значение	Источник информация
		550,0	Затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы
	► тыс.руб.	1400,0	Годовой отчет о наличии и движении основных средств и амортизационного фонда
руб. в год/руб		0,15	Методика (основные положения) определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. — М.: Экономика, 1977.-45 с.
руб. в год/руб		0,39	Нормативные данные
где ЛВ — прирост выплавки стали в результате внедрения АСУ ТП в год, тыс. т; ti — среднегодовая длительность плавки по базовому варианту (до внедрения АСУ ТП), мин; 4 '—среднегодовая длительность плавки при функционировании АСУ ТП, мин; Л/\ая — число плавок, выплавляемых конвертором в год (см. табл. 8.5); Г1СЛ — среднегодовая масса плавки по базовому варианту, т (см. табл. 8.5). -Тогда
ДВ^[(41,5~40,4)/41,5]6881-32&=59,8 тыс. т.
Коэффициент роста объема производства у составляет:
у®=1~)_дВ/2?ь
где Bi —годовой объем выплавки стали по базовому варианту, тыс. т. (см. табл. 8.5).
Тогда
у== 14-59,8/2256,9=1,026.
Увеличение объема производства, достигаемое при сокращении длительности плавки, приводит к снижению себестоимости продукции за счет уменьшения доли условно-постоянных затрат. К последним относятся расходы, не зависящие от изменения объема производства (большая часть цеховых и общезаводских расходов, расхо* дов на содержание и эксплуатацию оборудования и др.).
Годовая экономия 5» от снижения себестоимости продукции в результате увеличения объема производства при функционировании АСУ ТП определяется путем сравнения суммы условно-постоянных затрат, приходящихся на единицу годовой продукции по базовому варианту и при функционировании АСУ ТП:
Э^Н^Н^Вху,
где Hi — условно-постоянные затраты в себестоимости 1 т стали (без стоимости огнеупоров) по базовому варианту, руб/т (см. табл. 8.6).
Таким образом,
Зв—(6,6—6,6/1,02'6)2256,9 4,026=386,7 тыс. руб.
3.	Расчет экономии от уменьшения расхода кислорода на продувку металла.
Уменьшение продолжительности плавки в результате внедрения АСУ ТП, в частности времени продувки, привело к сокращению расхода кислорода на продувку металла. По отчетным данным расход кислорода на плавку в нормальных условиях уменьшился с 19318 м3 по базовому варианту до 19159 м3, или на 159 м3. Уменьшение расхода кислорода в нормальных условиях на 1 т стали рассчитывается по формуле
Д<7= (Qi—Q2)
где <2i, Q2 соответственно расход кислорода на плавку в нормальных условиях по базовому варианту и при функционировании АСУ ТП, м3; Гшл — среднегодовая масса плавки по базовому варианту (см. табл. 8.5).
Тогда
Д^ (19 318—19 159) /328=0,4847 м3/т.
301
Таблица 8.6. Расчет условно-постоянной части в расходах по переделу
Наименование статьи расхода	Сумма расходов по переделу, руб.	Доля условнопостоянной части, %	Сумма условнопостоянной части затрат, р}б., коп.
Топливо технологическое	0,19	40	0,08
Основная заработная плата производственных рабочих	0,48	50	0,24
Износ сменного оборудования	0,88	10	0,09
Текущий ремонт и содержание основных средств	5,12	65	3,32
Амортизация основных средств	3,07	100	3,07
Про1ие расходы по пе-	0,27	80	0,22
ху Общезаводские расходы	0,77	70	0,54
Итого:	—	—.	7,56
условно-постоянные расходы стоимость огнеупоров для футеровки /Дф	—		0,96
условно-постоянные расходы без стоимости огнеупоров для футеровки Нг			6,60
Годовая экономия 3q от снижения себестоимости за счет уменьшения расхода кислорода рассчитывается по формуле
где Ilq — стоимость 1 м3 кислорода в нормальных условиях, руб. (см. табл. 8.3).
Таким образом,
3^=0,4847-2256,9-1,026*0,0156=17,5 тыс. руб.
4.	Расчет экономии от повышения стойкости футеровки.
Стабилизация технологического процесса, сокращение длительности плавки и числа додувок, уменьшение разброса температуры в результате внедрения АСУ ТП привели к сокращению числа корректирующих операций и повышению стойкости футеровки конвертора на 18% («ф=1,18). Увеличение кампании конвертора привело к сокращению расхода огнеупоров на 1 т стали.
Годовая экономия 3$ от снижения себестоимости за счет повышения стойкости футеровки конвертора при функционировании АСУ ТП определяется по формуле
Зф=* (Я1 ф—Их ф /аф) В! у j;
302
где Нуф — условно-постоянные затраты на огнеупоры для футеровки конвертора в себестоимости стали по базовому варианту, руб/т (см. табл. 8.5); аф— коэффициент повышения стойкости футеровки в результате внедрения АСУ ТП.
Тогда
Эф={0,96—0,96/1,18)2256,9-1,026=339,2 тыс. руб.
5.	Расчет экономии от увеличения выхода годного.
В результате автоматического управления важнейшими операциями технологического процесса, контроля продолжительности плавки, расхода кислорода, скорости окисления углерода в ванне конвертора, химического состава металла и шлака, прогнозирования значений важнейших технологических переменных на любой момент периода продувки, своевременного обнаружения технологических нарушений и аварийных ситуаций при функционировании АСУ ТП уменьшился угар металла.
По отчетным данным кислородно-конверторного цеха в результате уменьшения угара металла выход годного возрос с 86,6% до 86,8%.
Увеличение выхода годного без увеличения затрат на ме т а л л о ш и х т у обеспечивает экономию Эм, рассчитываемую по формуле
где /ь 12 — соответственно выход годного по базовому варианту и при функционировании АСУ ТП; Цм — стоимость металлошихты за вычетом отходов и брака, руб. (см. табл. 8.5).
Таблица 8.7. Расчет текущих расходов на функционирование АСУ ТП
Наименование статьи расхода	Условное обозначение	Норма отчислений от стоимости основных фондов, %	Норма отчислений от основной и дополнительной зарплаты, %	Сумма, тыс. руб.
Расходы иа амортизацию основных фондов	Иа	10	—	140,0
Расходы на текущий ремонт и содержание основных фондов	^т.р	6	—	84,0
Расходы на заработную плату оперативного персонала АСУ ТП	/^з.п	—	*—	13,7
Отчисления на социальное страхование	Ис	—	14,0	1,9
Прочие текущие расходы (на потребляемую электроэнергию, материалы, эксплуатацию вспо-мога тельного оборудова-ния и др.) *	Иц.р	1,5		21,0
Итого:		—	1 -	1 260,6
303
Тогда
Эм=^[(86,8—86,6)/100]2256,9-1,026-63,55=294,3 тыс. руб.
6.	Единовременные вложения Кд на разработку и внедрение АСУ ТП составляют 1950 тыс. руб., в том числе предпроизводствен-ные затраты КАП составляют 550 тыс. руб., а капитальные вложения 1400 тыс. руб.
7.	Текущие дополнительные расходы на функционирование АСУ ТП представлены в табл. 8.7.
8.	Годовая экономия (годовой прирост прибыли) от функционирования АСУ ТП с учетом дополнительных текущих расходов
77А—386,7-J-17,5-|-339,2-|-294,3—260,6=777,1 тыс. руб.
9.	Годовой экономический эффект Э от функционирования АСУ ТП рассчитывается по формуле
Э = ПА-ЕкК*,
где Ен — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (см. табл. 8.5).
Тогда
3=777,1—0,15 (1400-J-550) =484,6 тыс. руб.
10.	Срок окупаемости Т капитальных вложений на внедрение АСУ ТП, показывающий период времени, в течение которого капитальные вложения на АСУ ТП окупаются за счет годовой экономии, рассчитывается по формуле
т = к$/пк,
отсюда (см. табл. 8.5)
Т= 1400,0/777,1=1,8 года.
Коэффициент Ер экономической эффективности капитальных вложений на внедрение АСУ ТП, характеризующий годовую экономию, получаемую на 1 руб. капитальных вложений, рассчитывается по формуле
£р = 77а/к£=1/7.
Тогда
£р=777,1/1400,0=0,55.
11.	Итак, основные показатели экономической эффективности АСУ ТП могут быть сведены в табл. 8.8.
VIL Заключение об уровне экономической эффективности АСУ ТП
Для решения вопроса об экономической целесообразности выделения капитальных вложений на создание АСУ ТП расчетный коэффициент экономической эффективности Ер сопоставляется с нормативным значением отраслевого коэффициента эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники Ен.в.т (см. табл. 8.5).
304
Таблица 8.8
Показатель	Условное обозначение	Единица измерения	Значения показателя после внедрения АСУ ТП
Головой экономический эффект	Э	тыс. руб.	484,6
Годовая экономия (годовой прирост прибыли)	ПА	тыс. руб.	777,1
Расчетный коэффициент экономической эффективности капитальных вло-жений на внедрение АСУ ТП		руб. в год/руб	0,55
Срок окупаемости капитальных вложений на внедрение АСУ ТП	Т	в годах	1,8
Единовременные дополнительные вложения на разработку и внедрение в том числе:		тыс. руб.	1950,0
предпроиз Бедственные затраты		тыс. руб.	550,0
капитальные вложения	К*	тыс. руб-	1400,0
Годовые дополнительные эксплуатационные расходы на функционирование АСУ ТП		тыс. руб.	260,0
Расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений на создание АСУ ТП Ёр=0,55, что выше установленного коэффициента эффективности капитальных вложений на создание АСУ и внедрение вычислительной техники в черной металлургии £н.в.т= =0,39. Следовательно, создание АСУ ТП явилось экономически эффективным мероприятием.
Глава девятая
БЛИЖАЙШИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АСУ ТП
9.1. ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ АСУ ТП
В настоящее время происходит один из самых интенсивных процессов развития средств и методов построения АСУ 1П. Пересматриваются практически все аспекты таких систем управления: структура и состав технических средств, распределение функций между различ-20—1341	305
ними техническими средствами, алгоритмы реализации отдельных функций, роль математических моделей в процессе управления, формы и содержание взаимодействия людей и техники. Одной из основных причин такого хода событий многие обычно считают появление микропроцессоров и микро-ЭВМ, благодаря которым стоимость вычислительной техники становится второстепенным фактором в общих затратах на создание АСУ. Более детальный анализ показывает, однако, что переход к новому, децентрализованному принципу построения АСУ ТП явление многоплановое, имеющее более глубокие истоки, лежащие не только в технических средствах, но и в самих технологических объектах управления.
Поэтому прежде, чем перейти к рассмотрению децентрализованных АСУ ТП и микро-ЭВМ как их технической базы, напомним, что в ходе эволюции системы йВмоматизации технологических объектов прошли несколько качественно различных ступеней (подробнее см. Введение). До сих пор эта эволюция сопровождалась неуклонным повышением степени централизации управления технологией материального производства, причем основой каждой новой ступени централизации служило какое-либо новшество в области технических средств. Уместно, однако, поставить вопрос: в какой мере такая эволюция технических средств отвечает потребностям самих объектов управления?
Ранее уже отмечалось, что в последнее время технологические процессы также изменились, и тенденции их развития требуют новых технических решений и пересмотра в ряде случаев структур АСУ ТП. Практически во всех отраслях промышленности сейчас наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности технологических агрегатов и непрерывному усложнению технологии. Разрабатываются и внедряются процессы, предусматривающие все более сложные физические и химические превращения, а потому требующие более точного соблюдения технологического режима. Все более остро стоят задачи экономии энергии и сырья в качестве одной из основных целей оптимального управления. Необходимость комплексного использования энергии в нескольких взаимосвязанных технологических процессах или стадиях одного процесса требует более сложных схем управления.
306
Эти тенденции развития современных технологических объектов делают необходимым применение более «тонких» и совершенных методов управления ими. Важные социально-экономические факторы долговременного действия (защита окружающей среды, экономия энергии и природных ресурсов, повышение безопасности и качества труда) также оказывают заметное влияние на выбор целей и способов построения АСУ ТП.
В результате совместного действия всех указанных факторов и тенденций появились и становятся все более частыми случаи, когда ввод в действие и устойчивая эксплуатация технологического объекта оказываются немыслимы без современной автоматизированной системы управления и, в частности, без ЭВМ. Однако возможности сложившейся централизованной системы управления теперь часто оказываются практически ограниченными, особенно для крупных ответственных технологических объектов. Чаще всего отмечают следующие недостатки традиционной централизованной системы:
1.	Недостаточная надежность. С выходом из строя центрального ВК теряется большая часть функций системы; при наличии локальных устройств, резервирующих ВК или другие критические компоненты, АСУ ТП продолжает функционирование, однако оптимальное управление становится невозможным.
2.	Ограниченная гибкость. Для централизованных систем, базирующихся на ЭВМ, характерны высокие начальные затраты, которые мало зависят от объема фактически выполняемых функций; наращивание функций в процессе развития возможно лишь до некоторого предела, определяемого производительностью ЭВМ, а после его достижения резко возрастают трудности программирования.
3.	Сложность программирования. Почти каждый современный технологический процесс — это множество автономных и взаимосвязанных процессов, протекающих одновременно, т. е. параллельно в отдельных агрегатах; в то же время ЭВМ работает последовательно, поочередно обслуживая агрегаты; это объективное несоответствие режимов работы технологического оборудования и системы управления порождает сложные проблемы увязки взаимодействия отдельных прикладных программ решения з£дач.
20*	307
4.	Высокая стоимость линий коммуникации. Центральное положение ЭВМ в современных АСУ ТП предполагает наличие большого числа радиальных связей; известны АСУ ТП, в которых стоимость средств передачи данных составляет до 75% стоимости всего оборудования системы.
Из изложенного видно, что необходимость пересмотра структуры систем управления диктуется логикой развития самих управляемых объектов. Отход от централизованной структуры наметился сравнительно давно и проявился, в частности, в построении АСУ ТП с двух-и трехмашинными управляющими ВК. Однако кардинальное решение проблемы децентрализации стало возможным только после появления еще одного технического новшества, получившего название микро-ЭВМ в отличие от так называемой мин и-Э В М.
а)	Краткие сведения о микро-ЭВМ
В начале 70-х годов был разработан новый класс средств вычислительной техники, использующий большие интегральные микросхемы (БИС). К этому классу относятся микропроцессоры и микро-Э ВМ.
Микропроцессором называют функционально законченное устройство обработки цифровой информации, управляемое хранимой в памяти программой и конструктивно выполненное в виде одной или нескольких БИС. Микропроцессор по своим логическим функциям и структуре напоминает упрощенный вариант процессора обычных ЭВМ и оперирует с коротким словом от 4 до 16 двоичных разрядов.
Микро-ЭВМ представляет собой комплекс устройств, выполненных на БИС, содержащий микропроцессор, память для хранения управляющих программ, интерфейс и блок управления обменом информацией с периферийными устройствами.
По вычислительным характеристикам микро-ЭВМ приближаются к современным мини-ЭВМ, а по ряду эксплуатационных показателей (размеры, потребляемая мощность, надежность) превосходят их.
Устройство микро-ЭВМ основано на применении так называемых интегральных микросхем, т. е. таких конструктивных узлов, все электронные элементы которых 308
нераздельно объединены механически, электрически и технологически под одним корпусом.
Резкое увеличение плотности расположения элементов в интегральных микросхемах, достигнутое в результате прогресса технологии их изготовления, позволило конструкторам создавать основные устройства ЭВМ практически в одном корпусе, на плате которого размером 216x254 мм размещается до 100 тыс. отдельных компонентов (конденсаторов, резисторов, полупроводниковых кристаллов и т. п.). Промышленный выпуск таких устройств повлек за собой стремительное расширение областей применения вычислительных машин, изменения в структуре АСУ, перераспределение функциональной нагрузки между средствами систем управления и увеличение возможностей отдельных средств в области передачи и обработки информации, представления ее оператору и т. д. Продолжающийся прогресс в создании интегральных микросхем резко снизил стоимость вычислительных средств.
Однако с появлением ЭВМ, выполненных на интегральных микросхемах малой и средней интеграции, проблема широкого применения  вычислительных средств в различных сферах человеческой деятельности, в том числе и в АСУ ТП, оставалась нерешенной. Даже освоение производства БИС с интеграцией от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч транзисторов на одном кристалле площадью 20—30 мм2 вначале существенно не изменили ситуацию. Только появление на стыке вычислительной и полупроводниковой техники первых программируемых БИС, сочетающих в себе дешевизну стандартного изделия серийного производства и гибкость универсальных устройств, открыло новую эру в применении вычислительной техники.
Первую программируемую БИС, получившую название микропроцессора, выпустила в 1971 г. фирма Intel (США). Микропроцессор — это процессор, выполненный на одной или нескольких интегральных микросхемах. В состав микро-ЭВМ, кроме микропроцессора, входят память и устройства ввода-вывода (УВВ). Укрупненная структурная схема микро-ЭВМ приведена на рис. 9.1.
Микропроцессор состоит из арифметическо-логического устройства (АЛУ), регистров и устройства управления. Арифметическо-логическое устройство служит для выполнения арифметических и логических операций над
309
данными, поступающими либо из памяти, либо из устрой' ства ввода. Устройство управления воздействует на поток данных и команд в машине. Оно выбирает из памяти команды, дешифрирует и выполняет их, открывая (или закрывая) соответствующие схемы и управляя необходимой последовательностью событий, задаваемых
Л С2р0»-СТВ0 ввода-вывода
Рис. 9.1. Структурная схема микро-ЭВМ.
АЛУ и УВВ. Регистры используются для временного хранения данных и команд. Работа АЛУ аналогична работе подобных устройств в обычных ЭВМ (см. гл. 3).
Память микро-ЭВМ обеспечивает хранение команд и данных. Память подразделяется на постоянную (ПЗУ), перепрограммируемую постоянную (ППЗУ) и оперативную (ОЗУ). Особенностью ПЗУ и ППЗУ является способность
сохранения содержимого памяти при отключении напряжения питания. В ПЗУ записываются часто используемые программы, общие для всех модификаций устройств одного типа, а в ППЗУ — переменные части программ (константы), определяющие конкретные модификации. В ОЗУ хранятся изменяемая информация и результаты ее обработки. Как правило, в ОЗУ помещают данные, которые могут быть автоматически восстановлены при возобновлении подачи напряжения питания.
Устройства ввода-вывода, обеспечивая связь микропроцессора с контролируемым объектом, осуществляют
ЗЮ
обмен информацией между процессором н внешними устройствами и функциональными блоками и выполняют приоритетные прерывания. Они же обеспечивают возможность организации магистрального подключения блоков и устройств, а также соединения нескольких микро-ЭВМ в многомашинный комплекс.
Как и обычные ЭВМ, микро-ЭВМ оперируют информацией, представляемой двоичными разрядами — битами. Микро-ЭВМ обрабатывают группы битов, называемые словами. В зависимости от числа битов, составляющих слово, микропроцессоры подразделяются на 4-, 8- и 16-разрядные. Четырехразрядные микро-ЭВМ используются в системах учета, калькуляторах, игровых автоматах, контрольно-измерительных приборах, простых терминалах; 8-разрядные микро-ЭВМ в интеллектуальных терминалах, контрольно-измерительных приборах, контроллерах для автономного управления, концентраторах данных, системах управления процессами; 16-разрядные микро-ЭВМ в системах сбора данных, цифровом управлении, интеллектуальных терминалах, диспетчерском управлении и др.
Основной трудностью применения микропроцессоров является высокая стоимость программирования по сравнению с расходами на приобретение самого оборудования. Программирование возможно в кодах микро-ЭВМ, на языке ассемблера или на языке высокого уровня.
Программирование в кодах микро-ЭВМ наиболее трудоемко и оправдано только для написания коротких программ. Применение языка ассемблера сокращает время написания программы в 5 —10 раз, но увеличивает занимаемую ее емкость памяти.
Наиболее эффективным для ускорения процесса написания программ и упрощения документации является программирование на языках высокого уровня. Однако главным недостатком такого программирования является увеличение длины результирующих программ еще на 30 — 40% по сравнению с программой, составленной с помощью ассемблера. Поэтому языки высокого уровня более эффективны для мелкосерийных систем, когда главным фактором является быстрота разработки.
Проектирование цифровых систем, в которых используются микропроцессоры, отличается тем, что комплекс технических средств и реализуемых ими программ представляет собой единое целое. Отдельные элементы 311
комплекса могут быть выполнены как программным, так и аппаратным путем. Поэтому в процессе проектирования системы необходимо найти рациональное разделение между программными и аппаратными средствами.
Микро-ЭВМ с успехом используются в АСУ ТП для следующих целей:
1)	замены вычислительных систем, базирующихся на мини-ЭВМ, в тех случаях, когда возможности мини-ЭВМ используются далеко не полностью и применение микро-ЭВМ в экономическом отношении более предпочтительно;
2)	замены одной или нескольких мини-ЭВМ многомашинным комплексом из нескольких микро-ЭВМ, обеспечивающим децентрализованное управление производством с повышенной живучестью и надежностью;
3)	замены технических средств с жесткой логикой на более гибкие программируемые интеллектуальные устройства; при этом в ряде случаев, кроме улучшения технических характеристик, обеспечивается снижение стоимости устройств.
Основным направлением применения микро-ЭВМ в АСУ ТП является создание многомашинных децентрализованных комплексов. Использование микро-ЭВМ для построения многомашинных комплексов позволяет снизить стоимость, повысить производительность системы, увеличить надежность функционирования, обеспечить высокую гибкость системы.
Стоимость многомашинной системы удается снизить за счет того, что в ряде случаев можно отказаться от мультипрограммирования, целью которого является повышение степени использования ЭВМ. В результате упрощается разработка и уменьшается стоимость программного обеспечения.
Повышение производительности многомашинной системы обеспечивается за счет параллельности вычислений, реализуемой большим числом дешевых микро-ЭВМ.
Использование микро-ЭВМ позволяет существенно повысить надежность с помощью резервирования при незначительном увеличении стоимости системы. Многомашинная система может содержать большое число избыточных микро-ЭВМ, которые в нормальном режиме либо не используются, либо работают с недогрузкой.
Применение микро-ЭВМ позволяет обеспечить высокую степень гибкости и модульности вследствие модульной природы самих микро-ЭВМ. Многомашинная систе-312
ма строится из ограниченного числа типов модулей и допускает расширение путем добавления модулей основного комплекта.
Основными вариантами многомашинных вычислительных систем с применением микро-ЭВМ являются системы с непосредственной связью и с общей памятью. На рис. 9.2 приведена структура многомашинной системы с непосредственными связями, которая состоит из нескольких микро-ЭВМ, связанных общей шиной и координируемых одним устройством управления приоритетами (УУП). Пусть какая-либо из микро-ЭВМ — инициатор обмена посылает в УУП запрос на прерывание всех мик-
Рис. 9.2. Структура многомашинной системы с непосредственными связями.
ро-ЭВМ системы и передает адрес микро-ЭВМ — адресата — в общую шину. После прерывания каждая микро-ЭВМ сравнивает адрес со своим номером. Обмен информацией по общей шине состоится с той микро-ЭВМ, которая обнаружит на шине свой адрес. Каждая микро-ЭВМ связана с объектом управления через УСО.
Структура многомашинной системы с общей памятью приведена на рис. 9.3. Система этого типа состоит из ряда микро-ЭВМ, каждая из которых может осуществлять связь с любой другой микро-ЭВМ через общую память. Доступ к общей памяти каждая микро-ЭВМ получает с помощью устройства управления приоритетом, устра-
313
Рис. 9.3. Структура многомашинной системы с общей памятью.
няющего конфликты при обращении к общей памяти. При этом до тех пор, пока микро-ЭВМ, получившая доступ к общей памяти, не закончит обмен данными, все остальные микро-ЭВМ блокируются, хотя и могут продолжать выполнение операций, не требующих данных из
Таблица 9.!
Характеристика	Тип микроЭВМ		
	.Электроника С-5“	МПК-25	яЭлектроника-60“
Разрядность, двоичные	16	8	16
разряды Быстродействие, тыс.one-	10	120	250
раций/с Память, Кбайт	64	64	64
общей памяти. Автономная связь каждой микро-ЭВМ с объектом управления осуществляется через индивидуальные блоки УСО.
Технические характеристики некоторых микро-ЭВМ приведены в табл. 9.1.
314
б)	Принципы построения децентрализованных АСУ ТП
Многомашинные вычислительные комплексы описанных типов приходят на смену современным централизованным ЭВМ для контроля и управления агрегатами, установками и цехами. Каждая микро-ЭВМ в таких системах выполняет часть, одну или несколько функций из набора, который ранее целиком реализовала одна центральная машина. Так, например, микро-ЭВМ может служить только для ввода, аналого-цифрового преобразования, линеаризации и масштабирования входных сигналов датчиков или только для целей регулирования. Как и в случае применения централизованных ЭВМ, такие системы могут быть лишь частью иерархической (интегрированной) системы управления производством или заводом.
Создание микро-ЭВМ означало расширение сферы действия цифровых вычислительных устройств вплоть до периферийных приборов, т. е. позволило физически приблизить вычислительное устройство к периферии, к источникам и потребителям информации. Благодаря сочетанию вычислительных возможностей, не уступающих мини-ЭВМ, с необычайной дешевизной и компактностью микро-ЭВМ, стало возможным территориальное рассредоточение вычислительной мощности внутри системы, т. е. переход кдецентрализованной АСУ ТП.
При рассмотрении децентрализованных систем управления обычно подчеркивают территориальную распределенность средств вычислительной техники. Более точно следует, однако, говорить о распределении функций. Расстояние между отдельными подсистемами существенной роли не играет; важно то, что они функционируют автономно. Так, ранее указывалось, что территориальная концентрация приборов на пунктах управления отнюдь не означала централизацию обработки сигналов.
Надежность децентрализованных систем, как будет показано далее, является решающим фактором при их практическом использовании. В централизованной системе вся ее вычислительная мощность целиком определяется единственной ЭВМ. В распределенных системах имеется возможность динамического распределения вычислительных задач между отдельными подсистемами. Поэтому при выходе из строя какого-либо элемента си
315
стемы его функции теряются не полностью, они полностью или частично «подхватываются» другими микро-ЭВМ. Этот процесс перераспределения функций в аварийных ситуациях называют реконфигурацией системы; благодаря этому децентрализованная система при аварии не отказывает, а лишь постепенно деградирует. Эффективное использование этого преимущества децентрализованных систем предполагает некоторую разумную избыточность вычислительной мощности.
Централизация операторских функций остается достаточно характерной чертой децентрализованных АСУ ТП. Современная децентрализованная АСУ ТП по всем основным показателям (объему выполняемых функций, числу элементов системы, структуре, а также объему охватываемого технологического оборудования) несомненно намного сложнее традиционных централизованных АСУ ТП.
Рассмотрим более подробно структуры децентрализованных АСУ ТП. Наиболее распространенные структуры систем этого класса, применяемые в настоящее время, можно свести к трем вариантам: кольцевая, линейная и сетевая.
Пример системы с кольцевой структурой приведен на рис. 9.4. Система состоит из некоторого числа локальных подсистем, каждая из которых базируется на свою микро-ЭВМ, и центральной подсистемы, укомплектованной ЭВМ более высокой мощности. На уровне локальных подсистем решаются следующие задачи:
автономное регулирование и управление в пределах одного агрегата (или одной установки), являющегося частью объекта управления;
обмен данными с соседними подсистемами и с центральной системой;
распознавание сбоев и ошибок в пределах одной подсистемы, а также некоторых общесистемных нарушений.
Требования к микро-ЭВМ (система команд, быстродействие и т. п.) определяются объектом управления, входящим в подсистему. Обычно стремятся иметь несколько вариантов подсистем, отличающихся производительностью, стоимостью, а также возможностями по наращиванию функций. Это разнообразие, однако, ограничивается трудностями программирования и обслуживания.
316
Микро-ЭВМ
11111Ш1Ш11Ш111
ЭВМ Верхнего уровня
Коммутатор
Микро-ЭВМ
Коммутатор
Коммутатор
Ввод
ИП
Внешнее запоминающее устройство
Центральная подсистема
Ввод И
ВыводУ~ Локальная подсистема I
Вывод h~
Локальная подсистемой
Микро-ЭВМ
х|
iti
it;
Вывод Локальная подсистемиШ
IIIIIIIIIIIIIIIIIIII
IlilllllllHIilHI!
Рис. 9.4. Децентрализованная система с кольцевой структурой.
Помимо микро-ЭВМ, локальная подсистема содержит коммутатор, соединяющий ЭВМ с одной стороны с периферией (датчиками, исполнительными органами и т. п.), а с другой стороны, с центральной системой и другими локальными подсистемами. Развитые автономные подсистемы содержат дополнительные устройства для связи 317
с оператором технологического процесса, позволяющие управлять подчиненным агрегатом или установкой дистанционно при нарушении обмена данными между подсистемами или с центральной системой.
Центральная подсистема с ЭВМ верхнего уровня (более высокого класса) служит для оперативного управления всей системой, а также для решения задач второго уровня: оптимизации, планирования производства и т. п. На центральную подсистему обычно возлагают также функцию реконфигурации системы в аварийных ситуациях.
Отметим вкратце некоторые особенности передачи данных в системах с кольцевой структурой. Обычно обмен данными протекает без участия центральной подсистемы. Информация передается по кольцу в одну сторону в форме так называемых телеграмм, представляющих собой последовательную информацию, содержащую код передающей подсистемы, адрес получателя, передаваемую информацию, признак приоритета и т. д. Передающая подсистема посылает свою телеграмму по кольцу к следующей подсистеме. Соседняя по направлению передачи подсистема проверяет, не является ли она получателем информации, и если да, то информация воспринимается подсистемой, а в ответ высылается телеграмма-отбой, которая прекращает обмен. Если подсистема не является адресатом, она передает телеграмму дальше по кольцу. Если телеграмма прошла все кольцо и по каким-либо причинам не была принята ни одной подсистемой, передающая подсистема высылает ее повторно с измененным приоритетом и процесс обмена информации повторяется.
Пример децентрализованной системы с линейной структурой приведен на рис. 9.5. Она состоит принципиально из тех же элементов, что и кольцевая, однако здесь подсистемы соединены друг с другом линейно. Эта особенность отражается в основном на организации обмена информацией.
Следует заметить, что как при кольцевой, так и при линейной структуре передача данных протекает централизованно, по одной линии связи. Поэтому в адрес таких структур высказывается справедливая критика: по надежности линия передачи данных является наиболее узким местом. На практике этот недостаток пытаются устранить различными способами: применением двойных 318
Рис. 9.5. Децентрализованная система с линейной структурой.
колец (одно для передачи запросов, другое для получения ответов), дублированием линии передачи данных и т. д. Другой путь состоит в переходе к иным структурам системы, в частности к сетевым. В таких системах между локальными подсистемами имеется не один путь для связи (через общее кольцо или общую линию), а несколько альтернативных возможностей, из которых в каж-
319
дом конкретном случае выбирается наиболее выгодна} Препятствием для применения таких систем в насто! щее время служит высокая стоимость линий коммуникации и более сложная организация обмена данными.
Электронная промышленность предлагает в настоящее время целый спектр технических средств для построения децентрализованных АСУ ТП — от микропроцессорных наборов, позволяющих компоновать самые различные варианты структур, до комплектных замкнутых вычислительных систем с жесткой структурой, применимых только как единое целое.
в)	Пример децентрализованной АСУ ТП в теплоэнергетике
Рассмотрим конкретную реализацию принципа децентрализации функций АСУ ТП на примере АСУ энергоблоком большой мощности. На рис. 9.6 приведен один из возможных вариантов такой системы. За основу принято разбиение объекта управления на функциональные группы оборудования по технологическому признаку. Каждая функциональная группа имеет свою локальную подсистему децентрализованной АСУ ТП. Центральная подсистема АСУ базируется на ЭВМ. типа СМ-2 и включает центральный пункт управления.
Система в целом имеет двухуровневую структуру: на нижнем уровне осуществляется сбор и первичная обработка данных, а на верхнем выполняются функции управления и регулирования в рамках региона, т. е. функциональной группы. Система обладает несколькими особенностями. Прежде всего, помимо линии связи функциональных групп между собой, а также с устройствами дистанционного управления и отображения данных, расположенными на пульте управления, имеется дополнительная линия связи с ЭВМ верхнего уровня с параллельным выходом на центральный пункт управления. Эта линия обслуживается специальными микро-ЭВМ обмена данными. Другая особенность заключается в том, что функциональные группы обслуживаются несколькими микро-ЭВМ, причем каждая микро-ЭВМ выполняет специализированные функции.
На рис. 9.7 приведена структурная схема локальной подсистемы функциональной группы. В состав подсистемы входят несколько блоков, реализующих функции 320
Центральный пункт управления
Микро-ЭВМ
Микро-ЭВМ
JlGKOJlDHOLHX повсистеми функциональные группе!
Рис. 9.6. Структура АСУ ТП теплового энергоблока на базе микро-ЭВМ.
Микро-ЭВМ
контроля, регулирования и логического управления в рамках соответствующей функциональной группы (подсистема защиты выполняется традиционным образом). Каждый блок, как правило, базируется на одной микро-ЭВМ.
21—1341	321
Микро-ЭВМ контроля выполняет опрос датчиков и первичную обработку сигналов измерения, а также передачу результатов на пункт управления и к ЭВМ верхнего уровня (через микро-ЭВМ обмена данными).
Микро-ЭВМ регулирования работает в режиме многоканального цифрового регулятора. Она принимает
Рис. 9.7. Локальная подсистема.
значения регулируемых величин от микро-ЭВМ контроля, вычисляет регулирующие воздействия, осуществляет отработку регулирующих воздействий. Кроме того, в ее функции входит обмен информацией с микро-ЭВМ управления и с ЭВМ верхнего уровня, которая осуществляет динамическую коррекцию уставок.
Микро-ЭВМ управления предназначена для реализации логических алгоритмов. Она воспринимает информацию от дискретных датчиков о положении управляющих органов и о достижении заданных значений технологических параметров, осуществляет логическую обработку принятой дискретной информации и. выдает команды управления запорной и регулирующей аппаратурой, элект-3?2
родвигателями и автоматическими регуляторами. Кроме того, в ее функции входит обмен информацией с другими микро-ЭВМ функциональной группы, щитовыми приборами и ЭВМ верхнего уровня.
Из приведенного описания видно, что наиболее интенсивный обмен данными осуществляется внутри функциональной группы. Это способствует значительному сокращению потоков информации к ЭВМ верхнего уровня, что благоприятно сказывается на ее загрузке и на надежности всей системы в целом.
На верхнем уровне (см. рис. 9.6) предусмотрена микро-ЭВМ контроля функционирования всего вычислительного комплекса. Она анализирует информацию, поступающую от систем контроля состояния микро-ЭВМ, и обеспечивает восстановление нормальной работы отказавших устройств либо переключает пути прохождения информации.
г)	Дополнительные замечания
С недавнего времени АСУ ТП почти обязательно ассоциируется с ЭВМ, которая является самым дорогим компонентом системы, не считая программного обеспечения. Поэтому, когда появились микро-ЭВМ, не уступающие по вычислительным возможностям мини-ЭВМ при стоимости во много раз ниже, создалось впечатление, что стоимость технических средств автоматизации упадет по меньшей мере на порядок. Как же обстоит дело в действительности?
Был проделан сравнительный расчет стоимости УВК для конкретного применения в двух вариантах: на базе мини-ЭВМ и на базе микро-ЭВМ. Структура стоимостей в обоих вариантах видна из рис. 9.8.
При небольшом объеме задач, выполняемых микро-ЭВМ, она состоит из процессора, смешанной оперативной и полупостоянной памяти, устройства связи с объектом, корпуса и кабельных соединений.
Полупостоянная память, используемая преимущественно в микро-ЭВМ, при той же емкости значительно дороже и больше обычной оперативной памяти мини-ЭВМ. Но объем программ, прежде всего организующих, должен быть поэтому меньше, чем в мини-ЭВМ. Периферийные приборы (печатающая машинка, видеотерминал, внешняя память) одинаковы во всех ВК и часто 21е	323
стоят больше, чём процессор. В результате получается, что выигрыш от замены процессора мини-ЭВМ микропроцессором сравнительно невелик (около 18%).
Рассмотрим децентрализованную систему. Она состоит из большого числа микро-ЭВМ (локальных подсистем), связанных между собой линиями коммуникации. В традиционной централизованной АСУ ТП линии связи расходились радиально, в децентрализованной АСУ ТП подсистемы связаны одной общей магистралью. При переходе от централизованной к децентрализованной структуре получается значительная экономия кабеля. Стоимость кабеля, не говоря о его дефиците, как уже
Рис. 9.8. Сравнение стоимостей микро-ЭВМ и мипн-ЭВМ.
отмечалось, составляет существенную часть затрат на технические средства. Централизованная структура экономически оправдана либо при большой сосредоточенности точек измерения (управления), либо при малом их числе. При большой рассредоточенности суммарные затраты (стоимость технических средств, расходы на заработную плату, стоимость материалов) на крупные АСУ ТП снижаются вдвое при переходе к децентрализованной структуре.
Приведенные выше аргументы имеют качественный характер, для их подтверждения не хватает точных ко-324
личествениых данных но результатам проектирования и эксплуатации. Эти данные появятся лишь после накопления определенного опыта применения подобных систем.
В заключение можно отметить следующее. Тенденция к децентрализации АСУ ТП приняла устойчивый характер, так как она, с одной стороны, диктуется логикой развития самих объектов управления, а с другой стороны, опирается на развитие технических средств автоматизации. Децентрализованные АСУ ТП имеют ряд преимуществ перед традиционными и в частности:
дают возможность оптимального выбора общей производительности системы (т. е. числа локальных подсистем) ;
обеспечивают более высокую надежность благодаря широким возможностям резервирования;
имеют меньшую стоимость благодаря экономии линий коммуникации.
Вместе с тем процесс развития АСУ ТП имеет многоплановый характер и сочетает в себе децентрализацию функций обработки сигналов с централизацией передачи данных на дискретной основе и централизацией функций оперативного управления технологическим процессом. Децентрализованные АСУ ТП находятся в начале своего развития. Дальнейший ход событий на ближайшие годы предугадать нетрудно. Развитие технических средств автоматизации пойдет по пути расширения сферы применения микро-ЭВМ. Традиционная ЭВМ как элемент системы сохранится, однако она будет разгружена от рутинной работы, связанной с непосредственной переработкой измерительной информации.
9.2. ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ АСУ ТП
Большой размах работ по АСУ ТП в нашей стране требует непрерывного совершенствования технологии их создания — улучшения предпроектных оценок потенциальных возможностей повышения эффективности производства путем автоматизации управления, выработки рациональных методов проектирования, широкого применения типовых решений. Однако до последнего времени подавляющее большинство проектов АСУ ТП выполнялось в индивидуальном порядке как единичные разработки однократного применения. Это объясняется следующими причинами: в принципиальной схеме и конст-325
руктивном исполнении почти каждого технологического объекта всегда есть те или иные особенности: номенклатура серийных технических средств для АСУ ТП пока еще неполна и нестабильна; отсутствуют достаточно отработанные и систематизированные решения по математическому и программному обеспечению таких систем: наконец, недостаточно развиты научно обоснованные представления о необходимых направлениях и принципах типизации в разработках АСУ ТП.
В последние годы поставлены работы по типизации в области АСУ ТП и освоению индустриальных методов их создания. Опыт, накопленный в ходе разработки и тиражирования АСУ непрерывными и непрерывно-дискретными технологическими процессами, определил основные, наиболее важные направления и формы работ по типизации в этой области. К таким основным направлениям следует отнести:
разработку типовых решений (проблемно-ориентированное направление);
разработку систем типовых решений (системно-ориентированное направление);
разработку унифицированных технических проектов (объектно-ориентированное направление работ по типизации АСУ ТП).
Рассмотрим сущность каждого из этих направлений подробнее.
Направление проблемной ориентации. Процесс проектной разработки АСУ ТП (как и любого другого сложного объекта) представляет собой разветвленную совокупность взаимосвязанных работ, выполняемых последовательно и параллельно, а на некоторых наиболее сложных этапах даже итеративно, с многократным пересмотром ранее полученных результатов. В общем случае каждую из них можно условно представить в виде последовательности трех операций: постановка проблемы, принятие и оформление решения (составление документации). Именно в этом смысле здесь применяется термин проблема и соответственно проблемная ориентация.
Очевидно, что разработчики самых различных АСУ ТП принимают зачастую одинаковые или очень близкие решения. Примером этого могут служить решения о применении одинаковых средств сбора и переработки информации в различных АСУ ТП. Разработчики до сих пор вынуждены делать это каждый раа заново, как бы 326
на пустом месте, так как в их распоряжении нет типовых решений, т. е. отработанной типовой документации сретениями многократно встречающихся проблем.
Проблемно-ориентированное направление работ по типизации в области АСУ ТП предусматривает создание и планомерное развитие комплекса типовых решений, объединяемого совокупностью следующих основных положений:
1.	Каждое типовое решение (ТР) для АСУ ТП представляет собой отдельное, законченное и документально оформленное решение одной из проблем проектного синтеза таких систем, предназначенное и приспособленное для многократного применения в разработках АСУ различными технологическими процессами.
2.	Типовое решение может быть простым, т. е. не разложимым на другие ТР, или составным, комплексным, которое можно условно рассматривать как совокупность простых, однако каждое из них предназначено для применения как нераздельное, единое целое.
3.	Документация на каждое ТР содержит сведения о назначении, сущности данного решения и правилах его применения, полнота и качество которых достаточны для применения этого ТР без участия его авторов.
4.	Все ТР, рекомендуемые к применению на данный период, систематизированы в регулярно пополняемых и обновляемых каталогах и фондах (банках) ТР.
Создание и развитие комплекса ТР позволяют совершенно по-новому проводить весь цикл работ по проектированию конкретных АСУ ТП: можно из соответствующих каталогов или банков ТР выбирать нужные типовые решения и закладывать их в проект.
В комплексе ТР можно выделить две основные группы:
1) по техническому обеспечению АСУ ТП;
2) по математическому и программному обеспечению АСУ ТП.
Остановимся на содержании и значении каждой из указанных групп.
В ТР по техническому обеспечению АСУ ТП центральное место принадлежит типовым решениям по управляющие вычислительным комплексам. Такие ТР достаточно гибки и разнообразны, так как в силу большого разнообразия технологических объектов требования,
327
предъявляемые к номенклатуре и характеристикам УВК в различных АСУ ТП, варьируются в очень широком диапазоне. Набор типовых решений по УВК для АСУ ТП включает в себя:
варианты ТР по собственно вычислительному субкомплексу— ядру УВК, объединяющему один-два процессора, устройства оперативной и внешней памяти, таймер, оборудование рабочего места оператора ЭВМ. и устройства системных связей;
типовые решения по функционально-специализированным субкомплексам средств ввода аналоговых и дискретных сигналов-(по две — четыре модификации каждого), в состав которых входят соответствующие коммутаторы и необходимое контрольное оборудование;
модификации ТР по субкомплексу средств для вывода управляющих сигналов на исполнительные механизмы;
типовые решения по компоновке устройств связи УВК с оператором-технологом, охватывающие средства ввода инициативных команд, экраны, устройства сигнализации, регистрации и т. п.;
типовые решения по рекомендуемым структурам УВК, фиксирующие в виде самостоятельных, многократно применимых документов ограниченный ряд вариантов общей конфигурации (архитектуры) УВК.
Опираясь на эти ТР и подбирая в необходимых сочетаниях варианты и число субкомплексов, можно для любой АСУ ТП спроектировать экономичный УВК, обладающий требуемыми характеристиками и составом.
Типовые решения по математическому и программному обеспечению АСУ ТП содержат сборники типовых алгоритмических модулей для решения задач сбора и обработки информации, моделирования и управления технологическими процессами, библиотеки типовых программных модулей на основе сборников алгоритмических модулей, проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ для автоматизированной генерации программного обеспечения АСУ ТП. Сборники алгоритмических модулей и библиотеки программных модулей образуют типовую алгоритмическую и программную базу АСУ ТП, построенную по модульному принципу. Согласно этому принципу каждый из видов обеспечения АСУ ТП компонуется из отдельных, автономных, но легко сопрягаемых частей — модулей. Таким образом, достигается 32§
гибкость, экономичность и расширяемость алгоритмического и программного обеспечения АСУ ТП.
На основе сборников алгоритмических модулей созданы библиотеки типовых программных модулей. Для каждой отрасли промышленности такие библиотеки разделяются по функциональному назначению и включают соответственно программные модули для решения задач сбора и обработки информации (контроля), моделирования технологических объектов и систем управления, решения задач управления, а также программные модули для организации, управления и обслуживания вычислительных процессов в АСУ ТП. Наряду с отраслевыми библиотеками разработана межотраслевая библиотека программных модулей, образующая ядро программной базы АСУ ТП.
Создание с помощью ЭВМ систем генерации программного обеспечения для УВД направлено на сокращение затрат труда разработчиков АСУ ТП, повышение качества программного обеспечения н программной документации. Основной формой реализации автоматизированных систем генерации на ЭВМ в настоящее время являются пакеты прикладных программ (ППП).
Как уже отмечалось в § 2.5, переход к использованию автоматизированных систем генерации программного обеспечения является первым этапом создания и практического освоения систем автоматизированного проектирования (САПР) АСУ ТП. Применение САПР помогает сократить на десятки процентов трудоемкость проектирования современных АСУ ТП, избежать ошибок в проектах и существенно повысить их качество; поэтому автоматизацию проектирования таких систем следует считать одним из важнейших путей интенсификации работ по созданию АСУ ТП.
Направление системной ориентации. В разработках АСУ ТП, относящихся к единому классу, должна существовать общность не только отдельных решений, но и целых их комплексов, представляющих собой в совокупности типовую основу любой системы этого класса. Такой типовой «каркас», а точнее взаимоувязанную совокупность решений, общих для разных АСУ ТП данного класса, называют системой типовых решений (СТР).
Системно-ориентированное направление типовых разработок в области АСУ ТП устанавливает целесообраз-
329
иость создания нё только комплекса ТР, но и ряда СТР, каждая из которых взаимно однозначно соответствует одному классу АСУ ТП, выделенному по определенным классификационным признакам. При этом для создания и успешного применения СТР соблюдаются следующие основные положения:
классификация АСУ ТП, определяющая число СТР и области применения каждой из них, проводится только по основным классификационным признакам. Соблюдение этого положения позволяет получить лишь несколько достаточно крупных классов АСУ ТП, каждый из которых характеризуется общностью основных, определяющих свойств. В качестве таких свойств-признаков приняты уровень управления, характер протекания технологического процесса во времени и условная информационная мощность АСУ ТП, характеризуемая числом технологических параметров, контролируемых системой. По этим признакам все множество созданных ранее и создаваемых АСУ ТП непрерывных и непрерывно-дискретных производств разделяется на ограниченное число классов (см. гл. 1), определяющих области применения соответствующих СТР;
любая СТР охватывает как все основные общесистемные решения, типовые для АСУ ТП данного класса, так и решения, обеспечивающие реализацию группы функций, общих для таких систем;
по форме каждая законченная система типовых решений представляет собой руководящий технический материал, который может использовать проектная организация. Комплект документации СТР включает в себя совокупность отдельных проблемно-ориентированных ТР;
при проектировании конкретной АСУ ТП на базе СТР обычно необходимо реализовать значительно более широкий перечень функций, чем у СТР, поэтому в СТР предусматриваются определенные резервы и возможности для такого расширения;
по научно-техническому уровню, прогрессивности и перспективности используемых технических, функционально-алгоритмических, методических и других средств СТР соответствуют последним достижениям теории и практики и имеют реальную возможность промышленного использования по крайней мере в течение нескольких лет. Приведенные основные положения по СТР конкретизируют принцип системно-ориентированной типизации 330
для разработок АСУ ТП, предназначенных для соответствующих образов сформированных классов АСУ.
Направление объектной ориентации. При многократном тиражировании однотипных технологических установок в той или иной отрасли на первое место выдвигается принцип объектной ориентации типовых разработок АСУ ТП. Он устанавливает перспективность создания комплектов типовой (унифицированной) документации, необходимой для многократного проектирования АСУ технологическими объектами одного вида. Подобные комплекты типовой документации называют унифицированными техническими проектами (УТП) АСУ ТП.
Унифицированный технический проект в качестве рациональной формы проявления объектной ориентации повышает производительность труда разработчиков (проектантов) АСУ ТП, отвечая следующим основным требованиям:
в нем приведены решения как по всем общесистемным вопросам проектирования АСУ технологическими процессами данного вида, так и по всем видам обеспечения таких систем (требование полноты);
учитывая наличие индивидуальных особенностей, свойственных каждому конкретному виду технологических объектов данного класса, УТП предусматривает возможности и содержит методические и другие средства для его настройки и привязки решений к конкретной АСУ ТП (требование настраиваемости);
по степени завершенности и качеству оформления УТП применим как исходный комплект документации для одностадийного, технорабочего проектирования АСУ ТП при минимальном участии (в форме консультаций) автора, например научно-исследовательского института (требование завершенности);
по научно-техническому уровню, прогрессивности и перспективности применяемых решений УТП пригодны для эффективного использования при проектировании конкретных АСУ ТП в течение, по крайней мере, 4—5 лет после завершения разработки (требование перспективности).
Таким образом, унифицированные технические проекты АСУ ТП, отвечающие приведенным требованиям, представляют собой результаты наиболее полной и глубокой типизации разработок таких систем и служат не
331
посредственной основой для их тиражирования силами проектных организаций.
Создание УТП для АСУ ТП различных отраслей промышленности позволяет дать в руки проектных и монтажно-наладочных организаций полный объем документации, необходимой для проведения рабочего (или тех-норабочего) проектирования и внедрения тиражируемых АСУ ТП при минимальном (консультационном) участии разработчика, существенно сократить сроки и стоимость проектирования конкретных систем, создаваемых на базе УТП, а также повысить качество проектов конкретных систем благодаря применению отработанных решений, созданных квалифицированными организациями.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭВМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АСУ ТП
В настоящее время в Советском Союзе и других странах СЭВ наибольшее распространение нашли две международные системы вычислительных машин: единая система электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ) и система малых электронных машин (СМ ЭВМ). Эти системы по своей архитектуре, составу периферийного оборудования и элементной базе относятся к вычислительным ма-шипам третьего поколения, которое характеризуется следующими общими чертами:
применением единого формата данных в различных машинах одного семейства;
программной совместимостью различных моделей семейства от младшей модели к старшей;
единым общим программным обеспечением и унифицированными средствами программирования;
стандартным способом подключения внешних устройств;
единой конструктивно-технологической базой с применением интегральных микросхем и многослойного печатного монтажа.
Единый формат данных означает применение соответствующих стандартов на данные, подготавливаемые для обработки па ЭВМ, и унификацию характеристик носителей информации.
Программная совместимость обеспечивает возможность выполнения одних и тех же программ на ЭВМ различных моделей с получением идентичных результатов. Большей частью программы, написанные для «младших», менее производительных моделей ЭВМ, могут без перепрограммирования выполняться на «старших» моделях.
Единое общее программное обеспечение представляет собой совокупность программных средств, необходимых для эффективного функционирования всех моделей данного семейства ЭВМ и облегчающих пользователю постановку и решение задач. В состав единого программного обеспечения входят программы, координирующие работу устройств в ЭВМ, трансляторы с алгоритмических языков, стандартные программы вычисления часто встречающихся функций, тесты для проверки исправности устройств ЭВМ.
Стандартный способ подключения внешних устройств к моделям ЭВМ реализуется путем применения унифицированного интерфейса, т. е. средств стандартного соединения устройств, отличающегося единством физического сопряжения и правил связи, обмена и завершения передачи.
Единая конструктивно-технологическая база различных ЭВМ одного семейства достигается стандартизацией типов элементов, размеров плат, блоков и стоек. При этом основной номенклатурной единицей технических средств является типовой элемент замены или агрегатный модуль, т. е. конструктивно законченное изделие, которое имеет унифицированные внешние связи, выполняет какие-либо функции по обработке или хранению информации, коммутации передач и преобразованию физических сигналов.
Международные системы ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ в совокупности, дополняя друг друга, являются технической базой автоматизации управления и обработки информации во всех сферах народного хозяйства социалистических стран, в том числе в АСУ.
333
Машины ЕС ЭВМ находят широкое применение в АСУ крупными производствами, предприятиями, объединениями, отраслями. На базе ЕС ЭВМ создаются также одно- и многомашинные вычислительные системы, предназначенные для решения разнообразных научно-технических задач, и измерительно-информационные системы для сбора и обработки большого количества данных.
Машины СМ ЭВМ используются в АСУ ТП, в автоматизации научных исследований и системах автоматизации проектирования; СМ ЭВМ является развитием агрегатной системы средств вычислительной техники (АСВТ) для построения УВК.
Управляющие вычислительные комплексы АСВТ первоначально строились на дискретных полупроводниковых элементах (АСВТ-Д).
Рис. П.1. Общая структура моделей ЕС ЭВМ.
Дальнейшее развитие и совершенствование АСВТ-Д привели к созданию на микроэлектронной основе серии новых машин АСВТ-М, которая получила широкое распространение в различных АСУ.
Единая система электронных вычислительных машин. Разработка ЕС ЭВМ осуществлялась научно-исследовательскими институтами стран — членов СЭВ. Семейство ЕС ЭВМ включает в себя несколько моделей, выпускаемых большими сериями. Для достижения требуемых характеристик основных моделей и устройств, разрабатываемых в различных странах, установлена единая система стандартов ЕС ЭВМ.
Каждая из моделей ЕС ЭВМ имеет минимальный состав оборудования, который пользователь может расширять путем доукомплектования для увеличения емкости памяти, общей мощности или других характеристик внешних устройств. Основные технические данные некоторых моделей ЕС ЭВМ приведены в табл. П.1 *.
* Смирнов Н. И., Хитров Б. В., Лютиков Ю. А. Управляющие и информационные машины, применяемые на электростанциях. — М.: Энергия, 1980.
334
Таблица И. 1
Показатель	Тип ЭВМ, страна-изготовитель		
	ЕС-1022, СССР	ЕС-1030, СССР, ПНР	ЕС-1033, СССР
Произ водительнос ть, тыс. операций/с Емкость ОЗУ, Кбайт	80—90 128—512	60 128—512	200 256—512
Продолжение табл. П.1
Показатель	Тип ЭВМ, страна-изготовитель		
	ЕС-1040, ГДР	ЕС-1050, СССР	ЕС-1065, СССР
Производительность,	320	500	4500
тыс. операций/с Емкость ОЗУ, Кбайт	256—1024	256—1024	До 16 324
Обобщенная структурная схема ВК моделей ЕС ЭВМ представлена на рис. П.1. Обработка данных производится процессором. Параллельная работа процессора и периферийных устройств (ПУ) организуется при помощи специализированных каналов ввода-вывода информации. Периферийные устройства связываются с каналами через устройства управления (УУПУ). Мультиплексные каналы (МК) могут одновременно обслуживать несколько десятков сравнительно медленно действующих периферийных устройств. Селекторные каналы (СК) связывают процессор и ОЗУ с периферийными устройствами, работающими с высокой скоростью передачи информации, и могут обслуживать лишь небольшое число таких устройств.
Единые конструктивно-технологическая база, модульный принцип построения и унифицированный набор типовых элементов замены (ТЭЗ) облегчают ремонт и эксплуатацию машин системы. Все большее развитие находят так называемые абонентские пункты для работы с машинами ЕС ЭВМ, обеспечивающие дистанционную обработку информации на значительном удалении, а также различные экранные пульты (дисплеи), осуществляющие быстрый и наглядный ввод-вывод как алфавитно-цифровой, так и графической информации.
Внешний вид машины ЕС-1022 представлен на рис. П.2.
Международная система малых ЭВМ. Вычислительные комплексы СМ ЭВМ, как и комплексы ЕС ЭВМ, являются результатом совместной разработки стран — членов СЭВ. Первая очередь СМ ЭВМ включает в себя ряд базовых комплексов различной производительности: СМ-1—СМ-4, имеющих в своем составе широкий набор устройств ввода-вывода, внешней памяти, отображения, связи с объектом, дистанционной связи, внутрипроцессорной п межпроцессорной связи. В АСУ ТП наибольшее распространение получили вычислительные комплексы СМ-1 и СМ-2.
335
Рис. П.2. Внешний вид машины ЕС-1022.
Рис. П.З. Структурная схема УВК СМ-1. 336
Комплексы СМ-1 и СМ-2 компонуются по спецификации заказчика на базе процессоров СМ-1П и СМ-2П из агрегатных модулей СМ ЭВМ с использованием при необходимости периферийных устройств М-6000/7000 АСВТ-М и обладают полной программной совместимостью с М-7000 и односторонней совместимостью с М-6000, а также полной совместимостью с этими системами по интерфейсу ввода-вывода.
На базе СМ-1 и СМ-2 можно компоновать локальные и территориально-рассредоточенные многомашинные комплексы. Передача информации в таких комплексах, а также между комплексами и терминалами может осуществляться по телефонным, телеграфным и специальным линиям связи.
Структурная схема СМ-1 приведена на рис. П-3. Процессор СМ-Ш работает по принципу микропрограммного управления и выполняет также функции канала прямого доступа в память (КПДП). Конструктивно процессор СМ-Ш выполнен в виде автономного комплектного блока, в котором размещаются:
собственно процессор, включая микропрограммную память, канал прямого доступа и инженерную панель;
до четырех блоков ОЗУ общей емкостью 32 Кбайт;
блок управления оперативной памятью (БУ), обеспечивающий подключение устройства оперативной памяти (УОП), предназначенного для дополнительного увеличения емкости ОЗУ (до 32 Кбайт);
до 10 интерфейсных блоков периферийных устройств, выходящих на сопряжение 2 К.
Дополнительные блоки ОЗУ имеют общую емкость 32 Келов с 18 двоичными разрядами.
Согласователи ввода-вывода (СВВ) предназначены для увеличения числа подключаемых к процессору периферийных устройств. К процессору можно подключать до трех СВВ. В каждом СВВ имеются 16 выходов на интерфейс 2 К.
Структурная схема ядра вычислительного комплекса СМ-2 приведена на рис. П.4.
Процессор СМ-2П работает по принципу микропрограммного управления. К процессору подключен восьмиканальный коммутатор КМР-8, с помощью которого осуществляется связь процессора с УОП и СВВ. К процессору через восьмиканальный коммутатор может быть подключено до четырех УОП и трех СВВ. Конструктивно процессор СМ-2П выполнен в виде автономного комплектного блока, в котором размещаются собственно процессор, микропрограммная память, инженерная панель п восьмиканальный коммутатор.
Устройство оперативной памяти имеет емкость 64 Кбайт. С помощью четырехкапального коммутатора КМР-4 осуществляется связь УОП с процессором СМ-2П и КПДП. Одно устройство УОП через КМР-4 может быть подключено к двум процессорам и двум КПДП.
Согласователь ввода-вывода предназначен для подключения к процессору СМ-2П периферийных устройств (до 16 выходов на интерфейс 2 К). С помощью четырехканального коммутатора согласователь подключается к процессору и каналу прямого доступа. Один СВВ через четырехканальный коммутатор может быть подключен к двум процессорам и двум каналам прямого доступа.
Канал прямого доступа к памяти предназначен для быстрого обмена информацией между УОП и ПУ. Каналу доступны до 48 периферийных устройств, подключаемых через согласователь ввода-22—1341	337
Рис. П.4. Структурная схема УВК СМ-2.
вывода, или два периферийных устройства, подключаемых непосредственно к каналу прямого доступа через интерфейс 2 К. С помощью восьмиканального коммутатора осуществляется связь КПДП с модулями УОП и СВВ.
Коммутаторы восьмиканальиый КМР-8 и четырехканальный КМР-4 предназначены для обеспечения внутрисистемных связей между устройствами вычислительного комплекса СМ-2. В УВК с помощью коммутаторов реализуется полная матричная коммутация (радиальные связи) каждого процессора и КПДП с каждым УОП и СВВ.
По техническим параметрам и структурным возможностям комплексы СМ-1 и СМ-2 полностью заменяют соответственно комплексы М-6000 и М-7000. Их сравнительные данные приведены в табл. П.2.
Агрегатная система средств вычислительной техники представляет собой набор агрегатных устройств с унифицированными внешними связями, из которых можно компоновать различные УВК с заданными параметрами, начиная от простейших систем сбора информации до сложных многопроцессорных систем управления.
338
В состав АСВТ-М входят машины централизованного контроля М-40, М-60, УВК М-6000, М-7000, М-400, М-4030, большое число системных периферийных устройств, УСО, средств отображения цифровой и графической информации,
Таблица П.2
Показатель	Тип УВК			
	М-6000	|	СМ-1	М-7000	|	СМ-2
Объем оперативной памяти, Кбайт Объем микропрограм-ной управляющей памяти, Кбайт Время выполнения основных операций, мкс:	8—64	8—64	32—256	32—256
		8	8	16
сложения с фиксированной запятой	5	2,5	2,5	2,2
умножения с фиксированной запятой	43	36,6	11	10
сложения с плавающей запятой	—	33	35	18-40
умножения с плавающей запятой	—	110	35	23
Цикл обращения к ОЗУ, мкс	2,5	1,3	1,2	1,0
Производительность при решении задач оперативного управления, тыс. команд/с	Около 100	139	Около 150	188
Технические средства АСВТ-М дают возможность создавать УВК для АСУ различной сложности: от централизованных систем контроля отдельных агрегатов и установок до сложных АСУ крупными предприятиями.
а)	Комплекс централизованного контроля М-60
Комплекс М-60 разработан для применения в АСУ ТП мощными энергоблоками тепловых и атомных электростанций. Он может применяться как в автономном режиме сбора, регистрации и первичной обработки информации, так и в управляющем режиме при совместной работе с УВК типов М-6000, М-7000, СМ-1, СМ-2.
Структурная схема М-60 приведена на рис. П.5. Комплекс состоит из двух частей: информационной (ИЧ) и управляющей (УЧ). В информационной части осуществляются сбор, обработка, регистрация и представление информации, поступающей от измерительных преобразователей технологических параметров, общее число которых может достигать 4096. Управляющая часть осуществляет воздействие на исполнительные органы объекта по сигналам, поступающим из УВК и от оператора.
22*	339
В состав информационной части входят устройство коммутации, нормализации и преобразования (УКНП), предназначенное для преобразования в двоичный код аналоговых сигналов от различных датчиков; устройство коммутации дискретных датчиков (УКДД); устройство управления (УУ), осуществляющее управление блоками сигнализации, контроля, регистрации и передачи информации в УВК от УКНП и УКДД; устройство цифрового контроля и графической регистрации (УЦКГР), производящее индикацию значения любого подключенного к комплексу М-60 параметра, а также расчетных величин из УВК на приборах цифровой или графической регистрации; регистрирующее устройство (РУАП), позволяющее регистрировать на бланке значения произвольно выбранных параметров; устройство выработки и памяти отклонений (УВПО), формирующее, запоминающее и выдающее в УВК сигналы «больше», «меньше» и «ошибка», а также световую и звуковую сигнализацию фактов отклонения параметров объекта на устройства технологической сигнализации.
В состав управляющей части входят устройство выработки аналоговых воздействий (УВВА) по командам УВК или с пульта оператора, которое производит корректировку заданий локальным автоматическим регулятором; устройство выработки позиционных воздействий (УВВП) на исполнительные органы объекта.
Подключение М-60 к другим УВК осуществляется с помощью так называемого устройства сопряжения с вычислительной подсистемой (УСВП).
б)	Управляющий вычислительный комплекс М-6000
Управляющий вычислительный комплекс М-6000 компонуется в виде как типовых, так и специфицированных (по спецификации заказчика) комплексов из набора агрегатных модулей АСВТ-М. Комплексы предназначены для работы в реальном масштабе времени п обычно используются для выполнения сравнительно простых алгоритмов обработки информации.
Внешний вид М-6000 представлен па рис. П.6. Основные данные М-6000 приведены в табл. П.2. В качестве примера на рис. П.7 приведена структурная схема типового комплекса № 3, применяемого в составе различных АСУ ТП.
Центральным устройством комплекса является процессор, осуществляющий обмен информацией с ОЗУ, периферийными устройствами, к которым относятся и УСО, а также арифметическую и логическую обработку информации и выдачу результатов вычислений. Для ускорения операций умножения и деления в комплексе имеется так называемый арифметический расширитель (РА).
Оперативное запоминающее устройство выполнено в виде набора модулей с емкостью 8 Кбайт каждый. Непосредственно к процессору могут подключаться два модуля ОЗУ; в случае применения устройства наращивания памяти УНП число модулей можно довести до восьми. Предусмотрен КПДП, позволяющий производить запись и выдачу информации в ОЗУ без загрузки процессора. Подключение ПУ осуществляется через унифицированный интерфейс 2 К непосредственно к процессору или расширителю ввода-вывода (РВВ). В варианте, показанном на рис. П.7, некоторые устройства ввода-вывода: задатчик временных интервалов — таймер (ТМР), вводно-выводное устройство (ВВУ), устройство вывода на перфо-340
к вп
К объекту
От объекта
Рис. П.5. Структурная схема комплекса М-60.
Рис. П.6. Внешний вид УВК М-6000, М-7000.
341
ленту (УВПЛ), устройство ввода с перфоленты (УВВПЛ) и РВВ — подключены непосредственно к процессору, а другие через РВВ [устройство печати с клавиатурой (УПК), развитая система УСО и два дуплексных регистра (ДР)]. Дуплексные регистры служат для подключения устройств, не имеющих унифицированного сопряжения 2 К, или для объединения процессоров в многомашинный комплекс.
Для повышения производительности и живучести в М-6000 предусмотрен многомашинный режим работы. Для соединения с другими процессорами системы АСВТ-М или СМ ЭВМ используются ДР,
Рис. П.7. Структурная схема типового комплекса № 3 М-6000.
а для объединения с машинами системы ЕС ЭВМ в комплексы М-6000 могут быть включены каналы межпроцессорной связи и специальные согласователи.
в)	Управляющий вычислительный комплекс М-7000
Управляющие вычислительные комплексы М-7000 компонуются на базе усовершенствованных агрегатных модулей АСВТ-М и предназначены для использования в АСУ ТП различных отраслей промышленности, в том числе в АСУ ТП ТЭС и АЭС.
Общий вид М-7000 аналогичен представленному на рис. П.6. По сравнению с М-6000 УВК М-7000 обеспечивает более высокую производительность. Некоторые показатели М-7000 приведены в табл. П.2.
В М-7000 предусмотрены полная совместимость с М-6000 по форматам данных и односторонняя совместимость по программному обеспечению.
342
Информационный вычислительный комплекс АСУ Т П — совокупность вычислительного комплекса, показывающих и регистрирующих приборов, а также средств сбора, переработки, оперативного отображения и регистрации информации, предназначенная для выполнения информационных функций системы.
Управляющий вычислительный комплекс АСУ Т П — совокупность технических средств, включающая вычислительный комплекс, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий или выдачи рекомендаций по управлению технологическим объектом.
Устройство связи с технологическим объектом управления (УСО) — совокупность устройств получения и преобразования сигналов контроля и управления, коммутации каналов и передачи сигналов в системе.
Оперативный персонал АСУ ТП — технологи-операторы автоматизированного технологического комплекса, осуществляющие управление технологическим объектом, и эксплуатационный персонал (инженеры, сменные дежурные, операторы и др.), обеспечивающий правильность функционирования комплекса технических средств АСУ ТП.
Организационное обеспечение АСУ ТП — совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала АСУ ТП, определяющая действия персонала при функционировании автоматизированного технологического комплекса.
Информационное обеспечение АСУ ТП — совокупность системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, сигналов, характеризующих состояние автоматизированного технологического комплекса, массивов данных и документов, необходимых для выполнения всех функций системы.
Математическое обеспечение АСУ ТП — совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для решения задач обработки информации с применением вычислительной техники в таких системах (в состав АСУ ТП не включается).
Программное обеспечение АСУ ТП — совокупность программ, обеспечивающая реализацию функций АСУ ТП, заданное функционирование комплекса технических средств АСУ ТП и предполагаемое развитие системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматизированная система «Азот» для управления установкой большой мощности по производству аммиака/ Е. Г. Балан-дюк, Л. М. Когаи, Б. Н. Мельников и др.—Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1976, вып. 48, с. 13—16.
2.	Автоматизированная система управления для металлургического завода/ Под ред. А. П. Копеловича и М. Кнотека.— М.: Металлургия, 1973.—229 с.
3.	Автоматизированные системы управления технологическими процессами и производствами. На примерах разработок ЦНИИКА. Каталог.— М.: ЦНИИТЭИприборостроения, 1978.—166 с.
4.	Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Пособие по монтажу и наладке/ Под ред. Ю. С. Вальденберга.— М.: Статистика, 1974.—180 с.
5.	Альперович Л. С., Голант А. И., Григорьев В. В. Эффективность систем цифрового управления сернокислотными производствами.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1977, вып. 53, с. 24—26.
6.	Борзенко И. М., Хвилевицкий Л. О. К вопросу о сущности АСУ ТП. — Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1969, вып. 60, с. 3—8.
7.	Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1969, вып. 26.—61 с.; 1977, вып. 51.—37 с.; 1978, вып. 56.—45
8.	Выбор структуры управляющего вычислительного комплекса для АСУ ТП/ Ю. Н. Колотов, Е. Г. Ипатов, Л. М. Коган и др.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1977, вып. 51, с. 11—14.
9.	Генис Я. Г., Гильман А. С., Колотов Ю. Н. Проектирование надежного вычислительного комплекса для АСУ ТП.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1977, вып. 56, с. 14—17.
10.	Горнштейн М. Ю. Развитие технико-экономических основ автоматизации управления технологическими и организационно-экономическими процессами.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1977, вып. 53, с. 8—13.
11.	Горнштейн М. Ю. Лытня Т. Ф. Экономическая оценка АСУ.— М.: Машиностроение, 11974.—88 с.
12.	ГОСТ 16084-75. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в промышленности. Основные положения.
13.	ГОСТ 17195-76. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Общие технические требования.
14.	ГОСТ 19675-74. Автоматизированные системы управления. Основные положения. Термины и определения.
15.	ГОСТ 20913-75. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Стадии создания.
348
16.	ГОСТ 21705-76. Автоматизированные системы управлений технологическими процессами. Надежность. Основные положения.
17.	Григорьев В. Вм Голант А. И. Применение УВМ в контуре непосредственного управления для взаимосвязанного объекта.— Приборы и системы управления, 1977, № 3, с. 1—4.
18.	Грицков В. И. Основные проблемы автоматизации атомной энергетики.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1976, вып. 49, с. 7—9.
19.	Грицков В. И., Дементьев В. А., Даненберг В. В» Система типовых решений как обобщение разработок АСУ ТП атомных и тепловых энергоблоков (СТР-3) — Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1979, вып. 58, с. 18—22.
20.	Давиденко К. Я. Язык программирования для задач управления производственно-технологическими процессами.— В кн.: Автоматизация проектирования систем управления. — М.: Статистика, 1978, с. 125—145.
21.	Давиденко К. Я., Лёвин А. А., Шенброт И. М. Тенденции развития автоматизированных систем управления технологическими процессами/ ЦНИИТЭИприборостроення.— Измерения, контроль, автоматизация, 1978, № 3(15), с. 55—65.
22.	Давиденко К. Я; Семенова Е. П., Краснова Г. А. Метасистема программного обеспечения АСУ ТП.— Управляющие системы и машины, 1978, № 6, с. 37—43.
23.	Давиденко К. Я», Смирнов В. Н. Типизация алгоритмического обеспечения АСУ ТП.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1978, вып. 57, с. 11—12.
24.	Дементьев В. А. Автоматизация тепло- и гидроэнергетики. Итоги, планы, проблемы.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1976, вып. 49, с. 221-24.
25.	Дементьев В. А. Использование средств вычислительной техники в системах управления энергоблоками большой мощности.— Тр. советско-финского симпозиума «Динамическое моделирование и управление технологическими процессами с помощью ЭВМ», Тбилиси, 1973. Ч. 2—М.: Вычислительный центр АН СССР, 1974, с. 548—558.
26.	Дмитриев В, Ф., Дризовский Л. М., Созинова Л. Т. Современные системы телемеханики.— М.: ЦНИИТЭИприборостроення, 1978.—47 с.
27.	Дудников Е. Г., Лёвин А. А. Промышленные автоматизированные системы управления.— М.: Энергия, 1973.—192 с.
28.	Зайденберг Л. М., Качалов Р. М. Состояние и проблемы организационно-методического обеспечения создания АСУ ТП.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1979, вып. 60, с. 8—11.
29.	Концепции интегрированного построения АСУ предприятиями химико-технологического типа/ И. Н. Минскер, С. Г. Пиггот, В. С. Ромм, И. А. Фрейдензон/ ЦНИИТЭИприборостроення.— Измерения, контроль, автоматизация, 1977, № 4(12), с. 57—66.
30.	Копелович А. П., Масловский Е. К. Современное состояние проблемы создания интегрированных систем управления металлургическим производством/ ЦНИИТЭИприборостроення.—Измерения, контроль, автоматизация, 1977, вып. 4, с. 4—12.
31.	Мамиконов А. Г. Методы разработки автоматизированных систем управления.— М.: Энергия, 1973.—336 с.
32.	Мельников Б. Н. Автоматизированное управление процессом производства аммиака в агрегатах большой мощности.— Вопросы
349
йромыШленной кибернетики. 1р. ЦНИИКА, 19?2, вып. 34, с. 2d—24.
33.	Мясников В. А., Вальков В. М., Омельченко И. С. Автоматизированные и автоматические системы управления технологическими процессами.— М.: Машиностроение, 1978.—232 с.
34.	Надежность и эффективность АСУ/ Под ред. ГО. Г. Зарени-на.— Киев: Техн1ка, 1975.—368 с.
35.	Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами в отраслях промышленности. Редакция 2-78 (ОРММ-2 АСУ ТП)/ ГКНТ.— М.: Статистика, 1981.
36.	Пшеничников А. М. Средства АСТТ со встроенными микро-ЭВМ для построения распределенных АСУ.— Приборы и системы управления, 1979, № 4, с. 3—6.
37.	Рациональные принципы агрегатизации управляющих вычислительных комплексов для АСУ ТП/ Ю. Н. Колотов, Ю. С. Вальденберг, Е. Г. Ипатов, А. Э. Софиев.— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1978, вып. 54, с. 8—10.
38.	Наумов Б. Н. Международная система малых электронных вычислительных машин — СМ ЭВМ.— Приборы и системы управления, 1977, № 10, с. 3—17.
39.	Шелихов А. А., Селиванов Ю. П. Вычислительные машины.— М.: Энергия, 1978.—224 с.
40.	Управляющие вычислительные машины в АСУ технологическими процессами/ Под ред. Т. Харрисона.— М.: Мнр, 1975, т. 1.—531 с.; 1976, т. 2.—532 с.
41.	Шапиро Ю. 3. Автоматизированные системы управления производством типа «Каскад».— Вопросы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА, 1973, вып. 35, с. 31—34.
42.	Шапиро Ю. 3. Типовая система управления производством «Каскад-ТМ»/ ЦНИИТЭИприборостроения.— Измерения, контроль, автоматизация, 1975, № 1(3), с. 75—79.
43.	Шенброт И. М., Антропов М. В., Ромм В. С. Оперативнокалендарное планирование химических производств в автоматизированных системах управления.—М.: Химия, 1977.—288 с.
44.	Шенброт И. М., Гельфанд А. М., Фикс М. О. Языки программирования для задач контроля и управления технологическими процессами/ ЦНИИТЭИприборостроения.—Измерения, контроль, автоматизация, 1975, № 69, с. 69—74.
45.	Шишмарев А. И., Заморин А. П. Англо-русско-немецко-французский толковый словарь по вычислительной технике и обработке данных.— М.: Русский язык, 1978.—416 с.
46.	ЭВМ и вычислительные сети/ В. Н. Криушин, Н. М. Пушкина, Н. Г. Черняк, И. Н. Буравцева.— М.: Статистика, 1980.—327 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ...........................................
Введение ..............................................
Рлава первая. Основные понятия........................
v 1.1. Автоматизированные системы управления .
V 1.2. Назначение, цели и функции АСУ ТП 1.3. Разновидности АСУ ТП............................
Глава вторая. Состав АСУ ТП............................
2.1.	Основные компоненты............................
V 2.2. Техническое обеспечение.......................
2.3. Математическое обеспечение.....................
V 2.4. Программное и информационное обеспечение .
v 2.5. Перспективы развития «индустриальных» методов создания математического и программного обеспечения Глава третья. Взаимодействие «человек—машина» в
АСУ ТП..............................................
3.1.	Человек — главное звено в контуре АСУ ТП
3.2.	Электронные вычислительные машины и их применение в АСУ ТП ......................................
3.3.	Взаимодействие человека и ЭВМ.................
Глава четвертая. Автоматизированные системы управления агрегатами и установками.........................
4.1.	Автоматизированная система управления мощным энергоблоком тепловой электростанции .	.	.	.
4.2.	Автоматизированная система управления мощным энергоблоком атомной электростанции .
4.3.	Автоматизированная система управления установкой полимеризации этилена..............................
4.4.	Автоматизированная система управления процессом выплавки конверторной стали .......................
Глава пятая. Автоматизированные системы управления производствами.........................................
5.1.	Характеристика производства как объекта управления
5.2.	Постановка задачи управления производством.
5.3.	Функциональная и организационная структуры .
5.4.	Техническое обеспечение........................
5.5.	Математическое и программное обеспечение
Глава шестая. Интегрированные АСУ на промышленных предприятиях ..........................................
6.1. Структура промышленного предприятия и задачи управления им..................................  .
6.2. Интегрированная АСУ тепловой электростанцией б.З.Интегрированная АСУ химическим комбинатом 6.4. Интегрированная АСУ металлургическим заводом
Глава седьмая. Процесс создания и эксплуатация АСУ ТП . ..............................................
3 5
19 19 26
31 49 49 54
58 64
80
85 85
90 106
118
118
146
176
186
198 198 202 204
206 207
215
215 221
226 231
237
351
7.1.	Основные стадии работ .	 237
7.2.	Предпроектные стадии.............................241
7.3.	Проектные стадии ................................245
7.4.	Стадии реализации ...............................251
7.5.	Эксплуатация АСУ ТП..............................253
Глава восьмая. Технико-экономическая эффективность АСУ ТП ................................................265
8.1.	Источники, виды и показатели эффективности. .	.	266
8.2.	Сопоставимость показателей ......................273
8.3.	Расчет экономической эффективности АСУ ТП .	.	280
Глава девятая. Ближайшие перспективы развития АСУ ТП	305
9.1. Децентрализованные АСУ ТП........................305
9.2. Пути интенсификации работ по созданию АСУ ТП 325
Приложение 1. Краткие сведения об ЭВМ, применяемых в АСУ ТП...............................................333
Приложение 2. Основные термины и определения. .	.	344
Список литературы ..................................... .	348