Проектирование автоматизированных систем

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ) ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 220 301 «Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)»

Омск

1. Системный подход к проектированию

1.1 Системы автоматики и их классификация с точки зрения сложности

Под системой обычно понимается регулярное или упорядоченное устройство, состоящее из взаимосвязанных частей, действующих как одно целое, и предназначенное для достижения какой-либо определенной цели.

Это определение не является исчерпывающим и строгим. Известно большое число определений термина «система», обладающих той или иной степенью конкретизации. Существенно, однако, то, что термин «система» обычно связывается с такими понятиями, как элемент, структура, связь.

В общем случае системой может быть назван любой физический объект, состоящий из ряда взаимосвязанных элементов. Если состояние системы изменяется или может измениться во времени, то такая система называется динамической.

Остановимся на системе, состоящей из n элементов. В простейшем случае между элементами действуют только двусторонние связи (рис. 1, а). Очевидно, что для анализа всех связей необходимо исследовать n (n-1) связей, действующих в системе.

Для систем, состоящих из сотен и тысяч элементов, число внутренних связей растет примерно пропорционально квадрату числа элементов. Отмеченное обстоятельство определяет огромные трудности анализа сложных систем.

Системы можно классифицировать разными признаками, среди которых можно выделить два основных: сложность систем и характер их функционирования.

Рисунок 1 — Классификация систем Одна из возможных классификаций систем по указанным основным признакам представлена на рисунке 1, б.

Если в детерминированных системах все элементы системы взаимодействуют точно предвиденным образом, то в вероятностных (стохастических) системах точно предсказать поведение системы невозможно и ее поведение можно определить, лишь с известной степенью вероятности. Критерий сложности систем является весьма условным.

Простыми обычно считают системы, не имеющие разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Такие системы могут содержать от 10 до 10³ элементов. В простых системах отсутствуют иерархические уровни.

К сложным системам относят системы с развитой иерархической структурой и большим числом элементов и внутренних связей. Такие системы могут содержать от 10¹ до 10⁷ элементов. Однако подобное определение сложных систем является весьма условным. Часто к сложным относят либо системы, которые нельзя корректно описать математически или можно описать не менее чем на двух различных математических языках (например, на языке дифференциальных уравнений и на языке алгебры логики), либо системы, для изучения которых необходимо решать задачи с непомерно большим объемом вычислений. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов.

Очень сложные системы часто называют большими системами.

Известен ряд определений термина «большая система», каждое из которых характеризуется той или иной степенью неопределенности.

Так, по Роберту Маколу большая система определяется семью признаками:

1. Система создается человеком из различного оборудования и сырья;

2. Система обладает цельностью. Все ее части служат достижению единой цели — выработке определенной продукции с помощью набора оптимизированных выходов при заданных входных воздействиях;

3. Система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения количества одинаковых частей, возможно, количества функций и, конечно, стоимости;

4. Система является сложной. Это означает, что изменение какой-либо переменной влечет за собой изменения других переменных, причем подобная зависимость редко оказывается линейной;

5. Система является полуавтоматической. Это означает, что часть функций системы выполняются автоматами, а часть — человеком;

6. Входные воздействия системы имеют стохастическую природу. Отсюда появляется невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;

7. Большинство систем и в первую очередь наиболее сложные содержат элементы конкурентной ситуации.

Согласно определению, данному Петровым Б. Н. и Поспеловым Г. С. большим системам управления, состоящим из объекта управления и управляющих систем, связанных каналами передачи информации, присущи следующие пять признаков:

1. Система управления имеет иерархическую структуру и представляет собой комплекс подсистем управления различных рангов (рис. 2, а). При этом выпадение или отказ какой-либо подсистемы или части подсистем не всегда приводит к отказу или распаду всей системы, а иногда только к снижению эффективности ее функционирования;

Рисунок 2 — Структура и основные этапы развития систем

2. Органы управления (управляющие системы) подсистем и всей системы организованы по иерархическому принципу, т. е. представляют собой коллективы, функционирующие во главе с руководителями разных рангов;

3. Главнейшие функции управления, планирования, оценки ситуаций или складывающейся обстановки и принятие решений осуществляются непосредственно коллективами управляющих систем;

4. Организованные коллективы органов управления предопределяют у всей системы в целом, как и у любого социального организма, существование в той или иной степени свойств адаптации и самоорганизации;

5. В органах управления различных рангов применены вычислительные машины для оптимизации принимаемых решений и для преобразования и переработки потоков информации. Вычислительные машины органов управления старших и младших рангов связаны специальными каналами связи.

Приведенные признаки в основном адресованы к специально организованным для целей управления и принятия решений коллективам людей, однако они сохраняют силу и для чисто автоматических технических систем переработки информации.

Большие системы обладают следующими основными свойствами:

1. Незначительные изменения во внешней среде могут вызвать в этих системах процессы, несоизмеримые по своим масштабам с породившими их изменениями;

2. Процессы разработки, конструирования и изготовления этих систем занимают большое количество времени (обычно несколько лет) и требуют привлечения больших коллективов специалистов в различных областях техники;

3. Большинство этих систем должно обладать свойствами адаптации и самоорганизации. Другими словами — структура этих систем изменяется, причем изменения далеко не всегда могут быть предсказаны;

4. Функционирование систем преследует определенную, независящую от них цель, и эта цель может изменяться в процессе эволюции внешней среды.

1.2 Основные этапы жизни системы

Любая техническая система возникает не сразу и проходит этапы развития, основные из которых показаны на рисунке 2, б. Следует иметь в виду, что замысел или первоначальная концепция новой сложной системы никогда не возникает в законченном и отработанном виде. В этом смысле замысел новой системы отличается от ее конечного воплощения, так же как человеческий эмбрион от сформировавшегося человека.

В процессе проектирования новая система должна быть отражена (спроектирована) на бумаге. Иными словами должна быть разработана и выпущена техническая документация, по которой проектируемая система может быть изготовлена в промышленных условиях.

Затем должны быть изготовлены опытные образцы, которые необходимо проверить (испытать).

С этой целью этап проектирования включает не только выпуск технической документации, но и тщательную теоретическую и экспериментальную отработку образцов. Для этого этап проектирования включает в себя изготовление единичных и опытных образцов, обеспечивающее с одной стороны, проведение необходимых экспериментальных работ, а с другой стороны, служащее для отработки технической документации и технологии изготовления системы.

Испытания на этапе проектирования охватывают как моделирование и лабораторные исследования, так и испытания в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации (натурные испытания).

В идеальном случае производство (серийное производство) сложных систем для нормальной эксплуатации осуществляется по тщательно отработанной на этапе проектирования технической документации.

Однако в силу того, что технология серийного производства, как правило, отличается от технологии опытного производства, осуществляемого на этапе проектирования, а также вследствие того, что на этапе отработки, как правило, в неполной мере учитываются статистические характеристики комплектующих систему элементов, в процессе серийного производства неизбежна доработка технической документации, осуществляемая с привлечением проектировщиков.

Одной из основных задач проектировщиков на этапе производства является разработка методов оптимизации производства и повышения его эффективности.

Поскольку эксплуатация с точки зрения потребителей системы является основным этапом ее жизни, то усилия проектировщиков направлены на то, чтобы обеспечить безусловное выполнение системой заданных технических характеристик.

С этой целью на этапе проектирования разрабатываются методы и технические средства обслуживания системы.

Они, как правило, включают системы контроля и восстановления технического состояния эксплуатируемой сложной системы. В силу изложенного снятие с эксплуатации системы связано с ее моральным старением и неэффективностью ее дальнейшей эксплуатации.

1.3 Задачи проектирования

Проектирование систем представляет собой высокоинтеллектуальное занятие, творчество, требующее применения разнообразных знаний. Задачей инженерного проектирования является разработка, при некоторых ограничениях, обусловленных способом решения, систем (элементов, процессов), обеспечивающая оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение.

Как следует из рисунка 3, основными ограничениями, помимо физических, являются: наличие знаний (навыков), в том числе технологических, наличие необходимых материалов и комплектующих элементов и устройств, возможности имеющегося лабораторного и производственного оборудования, имеющаяся вычислительная техника и сроки проектирования.

На последнем ограничении следует остановиться особо. При современных, все ускоряющихся темпах научного и технического прогресса предельное сокращение сроков проектирования становится одним из главных требований к процессу проектирования.

Действительно, при увеличении сроков проектирования, новизна и оригинальность решений, используемых в проекте, теряются. Еще не будучи осуществленным, проект может морально устареть и потерять смысл. Поэтому быстротечность процесса проектирования, иными словами динамика этого процесса, становится одной из главных его характеристик.

Важнейшей задачей проектирования является разработка и отработка полного комплекта технической документации на систему. Эта документация, с одной стороны, должна обеспечивать возможность промышленного изготовления системы, отвечающей заданным требованиям, и, с другой стороны, — обеспечивать надежную эксплуатацию системы в заданных условиях.

Рисунок 3 — Ограничения при проектировании систем В результате проектирования выпускается большой объем технической документации, состав которой в нашей стране определяется системой ГОСТов.

Эти ГОСТы можно условно разделить на три группы:

1) стандарты на правила разработки и классификации конструкторских документов;

2) стандарты на правила выполнения и оформления конструкторских документов;

3) стандарты на правила обращения и использования конструкторских документов.

Техническую документацию, выпускаемую в процессе проектирования, подразделяют на следующие категории:

— схемную;

— конструкторскую;

— монтажную;

— текстовую;

— технологическую;

— эксплуатационную.

Если схемная, конструкторская, монтажная и текстовая документации являются отражением идей и принципов, заложенных в систему при ее проектировании, и отвечают на вопрос, что должно быть изготовлено, то технологическая документация дает представление о методах и средствах изготовления системы.

Эксплуатационная документация, как правило, включает в себя основные документы схемной, конструкторской и текстовой документации и должна обеспечивать грамотную эксплуатацию системы.

1.4 Условия эксплуатации систем и их влияние на процесс проектирования

Системы автоматики эксплуатируются в условиях воздействия на них различных факторов, из которых можно выделить две группы: объективные, определяемые средой, и субъективные, определяемые обслуживанием системы (рис. 4).

Рисунок 4 — Эксплуатационные факторы, воздействующие на системы В зависимости от особенностей применения системы автоматики подразделяют на: стационарные, наземные, автомобильные, судовые (корабельные), авиационные, космические и т. п.

Естественно, что условия эксплуатации, а следовательно, и требования к системам будут различными для каждого из перечисленных видов. Так, например, системы стационарного типа не будут испытывать механических перегрузок, столь характерных для систем нестационарного типа (автомобильной, авиационной и т. п.). Могут при этом существенно отличаться и климатические условия эксплуатации.

В зависимости от временного режима различают системы разового действия, дежурные системы и системы непрерывного действия. Если системы разового действия используются по своему целевому назначению только 1 раз, то дежурные системы характеризуются многоразовым действием.

Режим работы дежурных систем включает в себя как период ожидания (дежурства), так и период использования по прямому назначению (рабочий режим). Примером подобных систем может быть система слепой посадки самолетов.

Системы непрерывного действия используются по своему целевому назначению непрерывно в течение всего заданного срока эксплуатации. Примером последних могут быть системы управления непрерывными процессами, такими как металлургические, нефтехимические и т. п.

Системы автоматики в зависимости от условий эксплуатации подразделяют также на обслуживаемые, когда в процессе эксплуатации возможно проведение профилактических и ремонтных работ, и необслуживаемые.

Среди внешних факторов воздействия, прежде всего, следует выделить климатические, оказывающие наибольшее влияние на системы.

Остановимся кратко на характеристике климатических условий эксплуатации систем.

Температура окружающего воздуха +20 °С принимается нормальной. Однако даже на территории только Российской федерации температура воздуха на поверхности земли может изменяться от -52 °С до +40 °С. Еще более высокая температура — до +58 °С отмечается в Африке, а более низкая — до -87 °С в Антарктиде. Также существенно изменяется температура воздуха с увеличением высоты над уровнем моря.

Влажность воздуха изменяется также в широких пределах. Абсолютная влажность на уровне земли колеблется от 0,1 г/м³ в полярных районах до 30 г./м³ в тропиках. Обычно влажность воздуха выражают в относительных единицах, при этом нормальной относительной влажностью воздуха считают 65%.

Во влажных тропиках (например, в Восточной Индии и Бирме) относительная влажность достигает 98% при температуре до +40 °С.

Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст. (1,01•10⁵ Па). Вблизи поверхности Земли атмосферное давление непрерывно изменяется. Зафиксированное минимальное давление на уровне моря составило

684 мм рт. ст. (0,91•10⁵ Па), а максимальное — 807,7 мм рт. ст.

(1,08•10⁵ Па). Изменение атмосферного давления также существенно зависит от высоты объекта над уровнем моря.

Ветровые нагрузки создаются движением воздушной среды и изменяются в широких пределах. Так, у поверхности Земли, скорость движения воздушной среды (ветра) изменяется от 0 до 200 км/ч. С ростом высоты увеличивается скорость ветра, достигая максимума в районе тропопаузы и уменьшаясь в стратосфере.

На больших высотах наблюдаются узкие пояса, в которых господствуют ветры со скоростью до 400 км/ч и более (так называемые струйные течения).

Вода, выпадающая в виде атмосферных осадков, содержит неорганические и органические частицы. В приморских зонах особенно характерны примеси хлористого натрия, а в тропических — повышенное содержание азотной кислоты. Снег содержит больше азотистых соединений, чем дождь.

Солнечная радиация может вызвать сильный нагрев незащищенных элементов конструкции систем. Плотность потока солнечной энергии, достигающая земной поверхности, изменяется от 0,91 до 1,4 кВт/м² в зависимости от поглощающей способности атмосферы и сосредоточена в основном в области длин волн 0,2 … 0,5 мкм.

Опасны для работоспособности систем пыль и песок. Проникая в подвижные части, они вызывают повреждения. Кроме, того, пыль способствует увеличению электростатических зарядов, что приводит к росту помех, а в отдельных случаях к взрывам.

К наиболее характерным факторам воздействия биологической среды на конструкции систем относятся грибковые образования (плесень), особенно интенсивно развивающиеся при повышенной влажности неподвижного воздуха (более 85%) и температуре от 20 до 30 °C.

Некоторые виды насекомых, например термиты, обитающие в основном в жарких и сухих зонах, пожирают органические материалы, особенно изоляционные. В этом же отношении опасны и грызуны, любящие поедать изоляцию коммуникационных линий.

В высоких слоях атмосферы может иметь место ионизация воздуха, в результате чего возрастает его электропроводность, что может привести к нарушению работоспособности системы.

Значительное влияние на работу систем оказывает радиоактивное излучение. Это влияние особенно сильно проявляется на материалы кристаллической структуры, воздух, изоляцию, стекло и электролиты.

Смещение атомов в кристаллической решетке при облучении быстрыми нейтронами нарушает нормальную работу германиевых и кремниевых диодов, транзисторов, фотосопротивлений и термисторов.

Ядерное излучение изменяет, прежде всего, величину начального коллекторного тока транзисторов и значение коэффициента усиления. Маломощные высокочастотные транзисторы подвержены влиянию различных видов радиации значительно меньше, чем низкочастотные и мощные.

Радиация ионизирует воздух, уменьшает проводимость между точками монтажа и может нарушить нормальную работу систем.

Параметры р-n-р транзисторов изменяются при облучении в большей степени, чем параметры аналогичных n-р-n транзисторов.

Германиевые транзисторы более стабильны при воздействии радиации, чем кремниевые.

Механические воздействия — ускорения, вибрации и удары, могут действовать как отдельно, так и в совокупности.

При транспортировке по железной дороге из-за биения колес о стыки рельсов возникает вибрация с частотой до 100 Гц при ускорении до

20 м/с². Частота этой вибрации может накладываться на основную частоту колебаний (2 … 3Гц).

Вибрации на кораблях вызываются как винтами, так и гидродинамическими силами, действующими на корпус и надстройки. Основная вибрация вызывается винтами с частотой, определяемой частотой вращения гребного вала (частотой вала), а также частотой колебаний лопастей винта (т.е. частотой вала, умноженной на число лопастей винта). Амплитуда вибраций на частоте вала обычно высокая, а частота низкая и ограничивается, как правило, диапазоном 0…5 Гц. На большинстве военных кораблей амплитуда продольных вибраций корпуса максимальна на корме и носу и резко снижается к центру корпуса. Амплитуда поперечных вибраций значительно меньше, чем продольных, за исключением верхушек мачт, дымовых труб, антенн и мостиков.

Влияние вибраций на самолетах также зависит от положения аппаратуры систем автоматики. Обычно на самолете можно выделить три основных участка, различающихся вибрационными нагрузками:

1) корпуса и обтекатели двигателей;

2) зона, примерно от середины крыла до его кончика;

3) остальные элементы корпуса.

На участках 1 и 3 частота вибраций лежит в пределах от 3 до 150 Гц с амплитудой от 0,075 до 2 мм на участке и до 2,5 мм на участке 3. Основным источником вибраций на участке 2 являются двигатели. Частота ее составляет обычно от 10 до 500 Гц с амплитудой от 0,025 до 0,037 мм.

Вибрации на ракетах имеют сложный характер и являются результатом совместного воздействия ракетного двигателя и аэродинамических нагрузок. Если для мощных жидкостных ракетных двигателей предельные частоты достигают сотен герц, то для твердотопливных двигателей — до 2000 Гц при ускорении до 200 м/с. Постоянные ускорения при работе ракетного двигателя достигают

50…150 м/с² для больших ракет-носителей и 250…500 м/с² для малых твердотопливных ракет.

2. Стадии и этапы проектирования систем автоматизации управления

2.1 Этапы проектирования

Весь процесс проектирования систем управления можно разделить на 10 этапов:

1) Формулирование цели, оценка реализуемости, согласование технического задания.

2) Выбор пути решения.

3) Определение структуры системы, выбор технических средств.

4) Инженерный анализ и оптимизация.

Этапы с 1 по 4 иногда называют предварительным проектированием, которое проводится с целью определения принципов построения системы, изыскания новых принципов, структур и технических средств, удовлетворяющих заданному техническому заданию. Предварительное проектирование, как правило, относят к стадии научно-исследовательской работы (НИР). На этих этапах привлекаются наиболее квалифицированные специалисты в соответствующих областях.

5) Разработка технической документации.

6) Разработка методов изготовления и технологической документации.

7) Изготовление экспериментальных образцов.

Этапы с 5 по 7 называют также эскизным проектированием, его относят к стадии опытно-конструкторской разработки (ОКР). Результатом эскизного проекта является детальная проработка возможности построения системы, удовлетворяющей поставленным требованиям.

8) Испытания, отработка технической документации.

Этап 8 называют техническим (рабочим) проектированием, при этом производится детальная отработка схемных, конструкторских и технологических решений.

9) Серийное производство.

В процессе серийного производства осуществляются окончательная доводка принятых технических решений и отработка технологии изготовления с учетом особенностей серийного производства.

10) Эксплуатация.

В процессе эксплуатации проектировщик системы получает информацию, позволяющую внести необходимые изменения с целью доведения параметров системы до заданных значений.

2.2 Организация проектирования

Проектирование систем представляет собой сложный многоплановый (многошаговый) процесс, требующий непосредственного участия специалистов различной квалификации. Один из возможных вариантов организационной структуры аппарата руководителя разработки (Руководителя проекта, Главного конструктора) системы изображен на рисунке 5.

Рисунок 5 — Вариант аппарата руководителя проекта системы Руководитель проекта осуществляет руководство разработкой, определяя как техническое направление в целом, так и отдельные технические решения.

Проектированию системы предшествует этап поиска предварительных технических решений и согласования технического задания (ТЗ) на проектирование с заказчиком. Этот этап требует усилий наиболее квалифицированных специалистов. Здесь следует указать на довольно объемные работы, проводимые по анализу современного состояния и научно-технических достижений в области проектируемых систем. Эти работы проводятся Головным подразделением (ГП) в тесном контакте с подразделениями структур (ПС), технических средств (ПТС), конструкторским бюро (КБ) и отделом научно-технической информации (ОНТИ).

ГП осуществляет разработку структуры системы, ее приборного состава, общей схемы и технических условий. Также ГП разрабатывает частные ТЗ на проектирование системы и ее составляющих и выдает их, после согласования и утверждения с Руководителем проекта, подразделениям ПС и ПТС.

ПС осуществляет анализ и синтез структуры системы и ее подсистем, их моделирование и оптимизацию с привлечением вычислительного центра (ВЦ).

ПТС производит анализ и выбор технических средств, разработку схем, их моделирование и оптимизацию. Здесь, как и при синтезе структур, широко используется ВЦ.

Существенные усилия при проектировании затрачиваются на обеспечение надежной работы системы. Это достигается как выбором оптимальных структур, так и наилучших (по надежности) технических средств, что достигается работой отдела надежности (ОН).

Большое внимание уделяется обеспечению заданных требований по точности и стабильности работы системы, что в большинстве случаев связано с необходимостью проведения специальных исследований рабочего процесса системы или ее подпроцессов. Точность измерений, при проведении таких исследований, обеспечивает метрологическая служба (МС).

При выборе технических решений значительное внимание уделяется технологичности и экономичности системы, при этом учитываются как стоимость ее разработки и изготовления, так и затраты на эксплуатацию. Данный процесс сопровождается специалистами технологического подразделения (ТП).

ГП подготавливает ТЗ на конструирование и после согласования его с Заказчиком и утверждения Руководителем проекта передает в КБ.

ТЗ на конструирование составляющих систему приборов (блоков, узлов) в таком же порядке выдаются ПТС в КБ.

ТЗ на конструирование обязательно включают

в себя различные схемы и спецификации.

КБ разрабатывает основную конструкторскую (текстовую и чертежную) документацию; ведомость покупных изделий составляется на основании спецификаций и согласовывается с техническим отделом (ТО). Предметом согласования, при этом, является допустимость применения тех или иных комплектующих изделий с позиций наличия необходимой

технической документации, обеспеченности материалами и их поставками, соответствия технических требований на комплектующие изделия техническим условиям на систему.

Габаритные чертежи и чертежи общих видов КБ согласовывает с ПС и ПТС па соответствие их техническим заданиям на конструирование.

Рабочие чертежи согласовываются КБ с ТП. Поскольку КБ с начала проектирования выдает ТП задание на проектирование технологической документации, а также технологического процесса изготовления системы и составляющих ее приборов, блоков, узлов и соответствующей технологической оснастки, то при согласовании особое внимание уделяется увязке разработанных конструкций с проектируемой технологической документацией.

Наряду с выдачей технических заданий на конструирование как ПС, так и ПТС выпускается большой объем текстовой документации: частные технические условия, технические формуляры или паспорта, инструкции по регулировке, эксплуатации, а также составляются технические описания.

Обычно одновременно с выдачей технических заданий на конструирование как ПС, так и ПТС выпускаются карты режимов комплектующих изделий. Эти карты анализируются отделом надежности ОН с целью определения и гарантии необходимых запасов по надежности. Помимо этого ОН разрабатываются типовые программы испытания макетных образцов системы и ее составляющих, по которым ПС и ПТС выпускаются программы испытаний как системы в целом, так и составляющих ее приборов, блоков, узлов.

По технической документации, выпущенной КБ (в том числе эскизной), в макетном производстве МП изготовляют макетные образцы системы, которые подвергаются тщательным исследованиям:

1) на соответствие заданным внешним характеристикам (в ГП);

2) на соответствие точностным характеристикам (в МС с участием ГП и ПТС);

3) на сохранность заданных статических и динамических характеристик в различных эксплуатационных условиях (в отделе испытании (ОИ) с участием ГП и ПТС);

4) надежности (в ГП, ПС и ПТС с участием ОН) Результаты этих исследований тщательно анализируются в ГП с привлечением ПС, ПТС, ОН и ОИ и докладываются Руководителю проекта. По материалам анализа Руководителем проекта принимаются решения о необходимости доработки системы и коррекции технической документации.

Техническая документация, разрабатываемая ГП ПС и ПТС передается в КБ, где производятся комплектование документации, введение ее в сводную спецификацию и передача подлинников в бюро технической документации (БТД). Подлинники технической документации хранятся в архиве БТД, и изменения ее производятся только по распоряжениям, выпускаемых ГП, ПС, ПТС и КБ и утверждаемых Руководителем проекта.

В БТД производится снятие копий или тиражирование (распечатка с электронных носителей информации) с подлинников технических документов и обеспечение копиями как МП, так и КБ, ГП, ПС ОН, ОИ, ОП и т. д. Так как проектирование систем во многих случаях связано с исследованием и разработкой новых материалов: конструкционных, электротехнических и др., то решение задачи выбора этих материалов, либо разработки новых, а также выдачи рецептур и технологических приемов их обработки ложится на отдел материаловедения (ОМ).

Технологические задания на решения перечисленных задач выдаются обычно ГП и ПТС и совместно с КБ и ТП.

Обеспечение заданных характеристик, особенно точностных невозможно без четко налаженной метрологической службы (МС), осуществляющей как метрологическую экспертизу проекта системы, так и проверку измерительных приборов и средств, используемых как при лабораторных, комплексных, так и при приемно-сдаточных испытаниях системы.

Для проведения комплексных испытаний в ОИ создаются стенды, имитирующие по возможности реальные условия эксплуатации системы.

Однако в силу сложности создания подобных условий обычно ограничиваются определенным уровнем приближения и те характеристики, которые невозможно оценить в стендовых условиях исследуются в ОИ, либо при проведении натурных испытаний.

Поскольку осуществление сложного процесса проектирования немыслимо без четкого планирования работ, то плановым отделом (ПО) составляются как общие графики работ по разработке системы, так и частные графики на отдельные этапы разработки составляющих систем.

При планировании работ приобретают важное значение, как своевременный контроль выполнения работ, так и оперативное внесение корректив в графики работ.

Игнорирование этого простого правила приводит к существенным срывам сроков проектирования и, в конечном итоге, порождает желание значительно ускорить разработку системы, за счет упразднения некоторых элементов проектной системы (например: ОН, ОИ, ОМ и т. п.), что пагубно отражается на качестве конечного продукта — разрабатываемой системы.

Если на этапе эскизного проектирования во многих случаях ограничиваются макетным производством, то на этапе технического проектирования к изготовлению аппаратуры системы привлекается опытное производство (ОП), располагающее достаточно большими производственными возможностями. В случае невозможности производства опытного образца (существенные размеры, дорогие или уникальные технологии и т. п.), используют модельные и косвенные испытания.

2.3 Задание на проектирование, исходные данные и материалы

Задание на проектирование систем автоматизации технологических процессов составляется генеральным проектировщиком или заказчиком с участием специализированной организации, которой поручается разработка проекта.

Задание на проектирование должно содержать следующие данные:

1) наименование предприятия и задачу проекта:

2) основание для проектирования;

3) перечень производств, цехов, агрегатов, установок, охватываемых проектом систем автоматизации, с указанием для каждого особых условий при их наличии (например, класс взрывои пожароопасности помещений, наличие агрессивной, влажной, сырой, запыленной окружающей среды и т. д.);

4) стадийность проектирования;

5) требования к разработке вариантов технического проекта;

6) планируемый уровень капитальных затрат на автоматизацию и примерных затрат на научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские работы и проектирование с указанием источников финансирования;

7) сроки строительства и очередности ввода в действие производственных подразделений предприятия;

8) наименование организаций-участников разработки проекта предприятия (объекта) и систем автоматизации: генпроектировщика, головного научно-исследовательского института по системам автоматизации, организаций-исполнителей смежных (строительной, сантехнической и пр.) частей проекта и др.;

9) предложения по централизации управления технологическими процессами и структуре управления объектом, по объему и уровню автоматизации;

10) предложения по размещению центральных и местных пунктов управления, щитов и пультов (диспетчерских, цеховых, агрегатных и др.);

11) особые условия проектирования.

Для выполнения проектов систем автоматизации должны представляться следующие исходные данные и материалы:

1) технологические схемы с характеристиками оборудования, схемами и чертежами трубопроводных коммуникаций, с обязательным указанием действительных внутренних диаметров, толщин стенок и материалов труб;

2) перечни контролируемых и регулируемых параметров с необходимыми требованиями и характеристиками;

3) чертежи производственных помещений с расположением технологического оборудования и трубопроводных коммуникаций, с указанием рекомендуемых мест расположения щитов и пультов (планы и разрезы);

4) чертежи технологического оборудования, на котором предусматривается установка приборов и средств автоматизации, перечень и характеристика поставляемых комплектно с оборудованием приборов, средств автоматизации и систем управления, чертежи комплектно поставляемых щитов, пультов и т. д.;

5) строительные чертежи помещений для установки и размещения технических средств систем автоматизации;

6) схемы управления электродвигателями, типы пусковой аппаратуры и станций управления для использования при проектировании систем автоматизации;

7) схемы водоснабжения с указанием диаметров труб, расхода, давления и температуры воды в них;

8) схемы воздухоснабжения с указанием давления, температуры, влажности и запыленности воздуха, наличия устройств очистки и осушки воздуха;

9) данные, необходимые для расчета регулирующих органов, сужающих устройств и заполнения опросных листов;

10) требования к надежности создаваемых систем автоматизации;

11) результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, содержащие рекомендации по проектированию систем и средств автоматизации. Эти результаты должны содержать математическое описание динамических свойств объекта управления. Если эти математические зависимости неизвестны, то в задании на проектирование должны приводиться экспериментальные временные или частотные характеристики, снятые на опытных или аналогичных действующих установках, графически отражающие динамические свойства объекта по каждому из каналов управления;

Для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в составе технического задания на проектирование должны приводиться данные предпроектных разработок, определяющих основные принципы построения АСУ ТП: иерархию АСУ, ее структуру и функции, алгоритмы и т. п.;

12) техническая документация по типовым проектам и проектным решениям;

13) дополнительные данные и материалы, которые могут потребоваться исполнителю в процессе проектирования.

2.4 Стадии проектирования и состав проектной документации

Проектирование систем автоматизации технологических процессов выполняют в две стадии: проект и рабочая документация или в одну стадию: рабочий проект.

В составе проекта разрабатывается следующая документация:

1) структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления);

2) структурная схема комплекса технических средств (КТС);

3) структурные схемы комплексов средств автоматизации;

4) функциональные схемы автоматизации технологических процессов. Для объектов с несложным технологическим процессом и простыми системами автоматизации допускается вместо функциональных схем автоматизации составлять перечни параметров контроля, регулирования, управления и сигнализации;

5) планы расположения щитов, пультов, средств вычислительной техники и т. д.;

6) заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования;

7) технические требования на разработку нестандартизированного оборудования;

8) локальная смета на монтажные работы, приобретение и монтаж технических средств систем автоматизации;

9) пояснительная записка, содержащая краткое описание, принятых в процессе проектирования решений;

10) задания генпроектнровщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта:

а) на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями, хладагентами (требуемых параметров); на теплоизоляцию трубных проводок и устройств;

б) на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т. д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т. д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях;

в) на обеспечение средствами производственной связи;

г) на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т. п.;

д) на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации.

Перечисленные задания к проекту не прикладываются, а передаются генпроектировщику (заказчику) в процессе проектирования для согласования и исполнения. Копии заданий хранятся в деле проекта.

На стадии рабочей документации разрабатываются:

1) структурная схема управления и контроля;

2) структурная схема комплекса технических средств;

3) структурные схемы комплексов средств автоматизации;

4) функциональные схемы автоматизации технологических процессов.

При двухстадийном проектировании структурные и функциональные схемы на стадии рабочей документации разрабатываются с учетом изменений технологической части или решений по автоматизации, принятых при утверждении проекта. В случае отсутствия таких изменений упомянутые чертежи включаются в состав рабочей документации без переработки;

5) принципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы контроля, автоматического регулирования, управления, сигнализации и питания;

6) общие вилы щитов и пультов;

7) монтажные схемы щитов и пультов или таблицы для монтажа электрических и трубных проводок в щитах и пультах;

8) схемы внешних электрических и трубных проводок. При необходимости рекомендуется разрабатывать таблицы соединений и таблицы подключения;

9) кроссовые ведомости (таблицы подключения).

Допускается выполнять вместо кроссовых ведомостей монтажные схемы (схемы подключения) кроссовых шкафов для вычислительных (управляющих) комплексов, машин централизованного контроля и других технических средств;

10) планы расположения средств автоматизации, электрических и трубных проводок;

11) нетиповые чертежи установки средств автоматизации;

12) общие виды нестандартизированного оборудования [кроме сложного оборудования, по которому в составе проекта приведены задания генпроектировщику (технические требования) на его разработку] в объеме, необходимом для выполнения работ при реализации проекта;

13) пояснительная записка;

14) расчеты регулирующих дроссельных органов.

В рабочей документации даются таблицы исходных данных и результаты расчетов в виде приложений к пояснительной записке.

Тексты расчетов в состав проекта не включаются, а хранятся у исполнителя проекта и выдаются заказчику по его требованию.

В рабочей документации целесообразно также давать расчеты по выбору регуляторов и определения примерных значений их параметров настройки при различных технологических режимах работы оборудования. В составе расчетных материалов необходимо приводить данные из задания на проектирование по результатам научно-исследовательских работ, знание которых полезно при производстве наладочных работ смонтированного объекта;

15) заказные спецификации приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, щитов и пультов, трубопроводной арматуры, кабелей и проводов, основных монтажных материалов и изделий (трубы, металлы, монтажные изделия), нестандартизированного оборудования;

16) перечень типовых чертежей на установку средств автоматизации (типовые чертежи к проекту не прикладываются);

17) уточненные задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта: при отсутствии изменений и уточнений подтверждаются задания, выданные на стадии проекта.

В состав рабочего проекта при одностадийном проектировании входят:

1) техническая документация, разрабатываемая в составе рабочей документации при двухстадийном проектировании;

2) локальная смета на оборудование и монтаж;

3) задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на работы связанные с автоматизацией объекта.

В тех случаях, когда часть приборов и средств автоматизации, проводок между ними, локальных систем автоматизации поставляется комплектно с технологическим оборудованием, проектные материалы на них находят свое отражение в чертежах рабочей документации и заказных спецификациях в указанном выше объеме с соответствующей оговоркой об их комплектной поставке. Документация заводов-поставщиков должна быть переработана в соответствии с требованиями по проектированию систем автоматизации, ее оформлению и комплектации.

Допускается функциональные схемы автоматизации совмещать с технологическими (монтажно-технологическими) схемами, разрабатываемыми в основных комплектах технологического проекта объекта. При этом такая совмещенная схема должна быть приложена к основному комплекту проекта автоматизации.

Принципиальные электрические, пневматические и гидравлические схемы контуров контроля и регулирования допускается не включать в состав основного комплекта рабочих чертежей, если взаимные связи приборов и аппаратуры, входящие в состав этих контуров, просты или однозначны и могут быть с достаточной полнотой отображены в других схемах. Например: цепи измерения электрические и пневматические на стандартных приборах без включения в них дополнительных неприборных устройств (резисторов, делителей, емкостей, катушек индуктивности и т. д.), термоэлектрический термометр — милливольтметр; термометр сопротивления — многоточечный мост; датчик — вторичный прибор; одноконтурные пневматические системы автоматического регулирования.

Вид документа для отображения направления и подключения электрических и трубных проводок (схема или таблицы) принимают, исходя из следующих рекомендаций:

а) для трубных проводок предпочтительным документом является схема, для электрических — самостоятельные таблицы соединений и подключения;

б) для сложных электрических соединений (например, для АСУ ТП), кроме таблиц соединений, необходимо выполнять упрошенную схему соединений, в которой отображается структура электрических связей. Сведения, содержащиеся в таблице соединений (марки и длины кабелей, тип и номер вводного устройства и т. п.), на схеме соединений не приводят.

Техническая документация комплектных технических средств автоматизации разрабатывается с учетом специфики примененных в рабочей документации конкретных комплектов. Состав этой документации определяется отраслевыми нормативными документами.

Так, для щитов и пультов систем автоматизации в состав документации включают:

а) общие виды составных и единичных щитов и пультов;

б) таблицы соединений и подключения единичных щитов и пультов:

в) спецификацию щитов и пультов.

Для комплектов технических средств операторских и диспетчерских помещений, в которые кроме щитов и пультов включаются защитные конструкции (стойки, штативы. щиты зажимов и т. п.), а также электрические и трубные приводки (штатные кабели и трубы, несущие и опорные конструкции), в состав документации дополнительно включают:

а) план расположения технических средств в операторском помещении;

б) схемы (таблицы) соединений и подключения проводок операторского помещения;

в) спецификацию комплекта.

При применении в рабочей документации комплексов технических средств локальных информационно-управляющих систем, агрегатных пневматических комплексов, комплексов вычислительных средств в состав рабочей документации включают общие виды тех стоек и пультов, в которых набор конкретных составляющих элементов (блоков, модулей, мнемосхем) определяется характером управляемого технологического процесса или оборудования.

Для аппаратурных стоек общий вид может содержать только схему расположения блоков или модулей в стойке.

Чертежи конструкций и деталей, предназначенных для установки приборов и средств автоматизации, могут не разрабатываться, если эти детали приведены в типовых чертежах установки технических средств автоматизации.

3. Структурная схемная проектная документация

3.1 Структура автоматизированных систем

При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить вопросы выбора структуры управления, т. е. с каких мест те или иные участки объекта будут управляться, где будут размешаться пункты управления, операторские помещения, какова должна быть взаимосвязь между ними.

Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними Графическое изображение структуры управления называется структурной схемой. Хотя исходные данные для выбора структуры управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются заказчиком при выдаче задания на проектирование, полная структура управления должна разрабатываться проектной организацией.

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность её работы, снижение относительной стоимости системы управления, ее надежности, ремонтоспособности и т. д.

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рисунке 6. Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и системой управления, система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующийся параметрами x₁, х₂, …, x_n.

К этим параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие конечный продукт технологического процесса, отдельные параметры, определяющие ход технологического процесса, его экономичность, обеспечение безаварийного режима и т. д.

Рисунок 6 — Структурная схема системы автоматизации Кроме этих основных параметров, работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров

y₁, y₂,…, y_j, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными). К такого рода параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие работу установок подготовки технологического пара, насосных станций оборотного водоснабжения и т. д. От этих установок требуется только подача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными параметрами. При этом необходимая дозировка подачи сырья и энергоносителей осуществляется средствами управления, относящимися к технологической установке.

В процессе работы на объект поступают возмущающие воздействия f₁, f₂,…, f_i вызывающие отклонения параметров x₁, х₂,…, х_n от их требуемых значений. Информация о текущих значениях x₁, х₂,…, х_n; y₁, y₂,…, y_j, поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g₁, g₂,…, g_k, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия ₁, ₂,…, _m для компенсации отклонений выходных параметров от их заданных значений.

Таким образом, объект автоматизации в общем случае состоит из нескольких, в большей или меньшей степени, связанных друг с другом участков управления. Участки управления физически могут представляться в виде отдельных установок, агрегатов и т. д. или в виде локальных каналов управления отдельными параметрами одних и тех же установок, агрегатов и т. д.

В свою очередь, система управления, в зависимости от важности регулируемых параметров, квалификации эксплуатационного персонала, которым необходимо знать их значения для осуществления оптимального управления объектом, в общем случае, должна обеспечивать разные уровни управления объектом автоматизации, т. е. должна состоять из нескольких пунктов управления, в той или иной степени взаимосвязанных друг с другом.

С учетом изложенного структуры управления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централизованными, одноуровневыми децентрализованными и многоуровневыми. Одноуровневые системы управления, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления, называются централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, называются децентрализованными.

Структурные схемы одноуровневых централизованных и децентрализованных систем приведены на рисунке 6, на котором стрелками показаны только основные потоки передачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воздействия системы на объект управления. На рисунке 7 отдельные части сложного объекта управления, управляемые соответственно с пунктов управления ПУ1 … ПУ3 разделены штриховыми линиями.

Рисунок 7 — Примеры одноуровневых систем управления:

а — централизованная система; б — децентрализованная система; ЦПУ — центральный пост управления; ПУ1… ПУ 3 — местные посты управления данного уровня До разработки концепции интеграции систем управления предприятия и основ CALS-технологий, одноуровневые централизованные системы применялись в основном для управления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на небольшой территории. Это было обусловлено тем, что большинство промышленных объектов в прошлом и настоящем времени представляют собой сложные комплексы, отдельные части которых расположены на значительном расстоянии друг от друга. Более того, кроме основных технологических установок, объекты промышленности, в том числе и строительной, имеют большое число вспомогательных установок-подобъектов (промышленные котельные установки, компрессорные станции, насосные отделения оборотного водоснабжения, котлы-утилизаторы, очистные сооружения и т. п.), которые необходимы для обеспечения технологических установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технологического процесса.