Знакомство с каталогами, сайтами, рекламными материалами ведущих мировых производителей систем автоматизации, а также фирм — системных интеграторов в области АСУ ТП, могут создать впечатление, что АСУ ТП — это просто совокупность технических средств (hard) и программного обеспечения (soft). Безусловно, технические средства и программное обеспечение — очень важные элементы системы автоматизации, во многом определяющие уровень и потенциальные возможности АСУ ТП. Однако, только глубокая проработка всех составных частей, вопросов их взаимодействия и совместимости, обеспечивают успешное функционирование автоматизированного объекта.
В состав АСУ ТП входят следующие компоненты:
- информационное обеспечение;
- техническое обеспечение;
- математическое обеспечение;
- программное обеспечение;
- организационное обеспечение;
- метрологическое обеспечение;
- эргономическое обеспечение;
- оперативный персонал.
1. Информационное обеспечение АСУ ТП включает:
- исходные данные, используемые в процессе разработки или эксплуатации системы;
- промежуточные данные, хранящиеся в базах данных реального времени, используемые для дальнейшей обработки;
- выходные данные, передаваемые для реализации на исполнительные устройства, отображаемые визуально на панелях операторов, табло и мониторах рабочих станций;
- передаваемых пользователям в электронном или бумажном виде;
- принятые формы входных и выходных документов (электронных или бумажных);
- принятая система кодирования информации;
- электронные архивы данных.
В состав информационного обеспечения АСУ ТП входят внемашинные (на бумажных носителях) и внутримашинные (на электронных носителях) компоненты. Так, например, к внемашинным компонентам информационного обеспечения АСУ ТП можно отнести технологический регламент, определяющий допустимые пределы изменения технологических параметров, условия аварийных отключений, порядок пуска и останова оборудования и т.п. К внутримашинному информационному обеспечению АСУ ТП относятся входные сигналы, поступающие от датчиков, а также выходные сигналы на исполнительные устройства, архивы нарушений технологического регламента, графики изменений контролируемых параметров, сформированные на экране монитора и т.п.
2. Техническое (аппаратное) обеспечение АСУ ТП — это комплекс технических средств, обеспечивающих выполнение всех функций АСУ ТП, а также обеспечивающих взаимодействие персонала с техническими средствами системы и с технологическим процессом.
В состав технического обеспечения АСУ ТП входят:
- средства сбора информации (измерительные преобразователи, счетчики, сигнализаторы, устройства ручного ввода);
- исполнительные устройства;
- программируемые логические контроллеры;
- устройства распределенного ввода/вывода;
- операторские станции;
- инженерные станции;
- серверы;
- панели оператора;
- программаторы;
- сетевые адаптеры;
- преобразователи частоты;
- пускатели;
- концевые выключатели;
- кабели связи;
- табло;
- устройства световой и звуковой сигнализации.
3. Математическое обеспечение АСУ ТП — это совокупность математических моделей, методов, алгоритмов решения различных задач, используемая на этапе проектирования и в процессе эксплуатации АСУ ТП.
К математическому обеспечению относятся:
- методы фильтрации сигналов;
- методы идентификации математических моделей;
- математические модели объектов управления;
- методы анализа, синтеза и настройки контуров регулирования;
- алгоритмы управления и регулирования;
- методы анализа устойчивости и точности систем;
- методы и алгоритмы оптимизации (поиска экстремума);
- методы принятия решений;
- алгоритмы адаптации параметров системы управления;
- алгоритмы косвенных измерений;
- методы прогнозирования случайных последовательностей;
- методы наблюдения состояния динамической системы;
- интеллектуальные алгоритмы управления.
4. Программное обеспечение АСУ ТП — совокупность программ, обеспечивающих функционирование всех цифровых вычислительных средств АСУ ТП (контроллеры, серверы, рабочие и инженерные станции, программаторы, панели оператора), а также решающих все функциональные задачи на этапах разработки, наладки, тестирования и эксплуатации системы.
Программное обеспечение АСУ ТП принято делить на две категории:
- общее программное обеспечение, включающее операционные системы, SCADA-системы, пакеты программ для программирования контроллеров, компиляторы, редакторы и т.п. Общее программное обеспечение АСУ ТП не привязано к конкретному объекту автоматизации, закупается и поставляется так же, как и технические средства.
- специальное программное обеспечение — это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП. К этой категории относятся программы для контроллеров, реализующие определенные функциональные задачи обработки информации и управления; программы, сгенерированные в среде SCADA-системы для визуализации, архивирования данных конкретного технологического процесса.
5. Организационное обеспечение АСУ ТП — совокупность документов, устанавливающих порядок и правила функционирования оперативного персонала АСУ ТП, а также организационные мероприятия, направленные на успешное внедрение системы и на безопасное ведение технологического процесса.
В частности, к организационному обеспечению АСУ ТП относятся:
- технологический регламент производства в условиях функционирования АСУ ТП;
- описание функциональной, организационной и технической структур автоматизированного технологического комплекса;
- штатное расписание, должностные инструкции технологического и оперативного персонала в условиях функционирования АСУ ТП;
- инструкция по пуску и останову технологических агрегатов в условиях АСУ ТП;
- обучение персонала работе с АСУ ТП;
- правила техники безопасности в условиях АСУ ТП.
6. Метрологическое обеспечение АСУ ТП — установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.
Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой задачи определяется следующими тремя условиями:
- результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах;
- значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;
- значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).
Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно всё, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Правила и нормы по обеспечению единства измерений установлены в Законе РФ «Об обеспечении единства измерений» и в нормативных актах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).
Третье из перечисленных выше условий определяет требования к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок и, как следствие, к экономическим потерям. Завышенные требования к точности измерений требуют дополнительных затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование влияет не только на метрологические, но и на экономические показатели системы. Если при измерениях соблюдаются все три условия (обеспечивается и единство, и требуемая точность измерений), то говорят о метрологическом обеспечении.
Необходимо отметить, что в АСУ ТП данные, полученные от измерительных преобразователей, проходят целый ряд этапов обработки и преобразования:
- аналоговая фильтрация от высокочастотных помех;
- дискретизация сигнала во времени;
- аналого-цифровое преобразование с определенной разрядностью;
- цифровая фильтрация.
Такая обработка, в общем случае, изменяет метрологические характеристики результирующих данных в сравнении с исходными данными от датчика, вносит временную задержку. Поэтому для корректного использования данных АСУ ТП (например, данных коммерческого учета тепловой и электрической энергии) необходимо выполнить оценку метрологических характеристик этих данных с учетом всех этапов обработки.
7. Эргономическое обеспечение АСУ ТП — это нормы эргономики и инженерной психологии, положенные в основу проектирования АСУ ТП. Прежде всего, это касается организации пультов оператора, мнемосхем, табло, устройств световой и звуковой сигнализации и других элементов так называемого человеко-машинного интерфейса системы. Эргономика и инженерная психология помогает выбрать рациональное расположение автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, формы отображения информации на мониторах и табло, вид технологической клавиатуры и т.п.
Разработка АСУ ТП без учета рекомендаций эргономики повышает вероятность ошибок оперативного персонала, увеличивает время реакции на событие, вызывает дополнительные психологические нагрузки. Типовые аппаратно-программные решения ведущих производителей систем автоматизации выполнены в соответствии с современными требованиями эргономики, инженерной психологии и технической эстетики.
8. Оперативный персонал — состоит из технологов-операторов диспетчеров), аппаратчиков, машинистов, осуществляющих контроль и управление технологическим объектом и эксплуатационного персонала служб КИПиА, обеспечивающих правильное функционирование всех технических и программных средств АСУ ТП. Следует заметить, что, несмотря на повышение уровня автоматизации технологических процессов, роль оперативного персонала в АСУ ТП остается чрезвычайно высокой. Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы.
Еще раз отметим, что эффективное функционирование АСУ ТП может быть достигнуто лишь в случае правильного выбора и постоянного взаимодействия всех видов обеспечения АСУ ТП. Так, например, высокие технические характеристики аппаратных средств и современное общее программное обеспечение окажутся невостребованными, если в математическом и специальном программном обеспечении не будет необходимых математических моделей, методов, алгоритмов и программ, если квалификация оперативного персонала не позволит в полной мере использовать возможности АСУ ТП.