Проектирование автоматизированной системы управления подогревом нефти Самотлорского месторождения

- стоимость сопровождения.

Стоимость программно-аппаратной платформы определяется требованиями, которые необходимы для функционирования SCADA-системы. К этим требованиям относятся минимальные характеристики аппаратной платформы (например, объем жесткого накопителя, мощность процессора и прочее), операционная система, на которой будет исполняться выбранная SCADA-система.

Механизм определения цены у разных фирм-разработчиков различен: стоимость InTouch, например, зависит от количества переменных, используемых в разрабатываемой прикладной программе, стоимость Simplicity определяется количеством каналов ввода/вывода, которые должна поддерживать система, а пакет FactoryLink имеет высокую базовую стоимость, но не имеет ограничений по количеству каналов.

Процедура освоения SCADA-систем достаточно проста с точки зрения программиста и не требует длительного времени, поэтому эти затраты относительно невелики. Основной составляющей стоимости является оплата труда программистов, осуществляющих эту работу.

Стоимость сопровождения "скрыта от глаз покупателя" и зависит от факторов: нефть печь термопреобразователь контроллер

- стоимость "риска" покупки, который определяется такими параметрами как рыночная надёжность фирмы-дистрибьютора инструментального пакета, рыночная стабильность фирмы-изготовителя продукта;

- стоимость коммуникаций с фирмой-поставщиком;

- "время реакции" поставщика на проблемы покупателя;

- наличие реального прикладного опыта и хорошего знания поставляемого продукта специалистами фирмы-поставщика. Наличие в принципе у поставщика специалистов по продукту;

- степень открытости, адаптируемости и модернизируемости продукта.

Концентрация разработчиков SCADA-систем на операционной системе Windows NT способствует снижению "стоимости владения" пользователем этими продуктами.

Эксплуатационные характеристики SCADA-систем

Показатели этой группы критериев наиболее субъективны. К этой группе можно отнести:

- удобство интерфейса среды разработки - "Windows - подобный интерфейс", полнота инструментария и функций системы;

- качество документации - ее полнота, уровень русификации;

- поддержка со стороны создателей - количество инсталляций, дилерская сеть, обучение, условия обновления версий и т. д.

Открытость SCADA-систем

Система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней "внешние", независимо разработанные компоненты.

Важной особенностью всех SCADA-систем является количество поддерживаемых разнообразных PLCs. Системы InTouch, FactoryLink, Genesis, RealFlex поддерживают десятки и сотни драйверов, что делает их лидерами по этому показателю.

Перед фирмами-разработчиками систем автоматизации часто встает вопрос о создании собственных программных модулей и включение их в создаваемую систему автоматизации. Поэтому вопрос об открытости системы является важной характеристикой SCADA-систем. Фактически открытость системы означает доступность спецификаций системных (в смысле SCADA) вызовов, реализующих тот или иной системный сервис. Это может быть и доступ к графическим функциям, функциям работы с базами данных и т.д.

Современные SCADA-системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода-вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. TraceMode имеет спецификации доступа к ядру системы, поставляемые фирмой-разработчиком в штатном комплекте. Системы FactoryLink, InTouch для создания драйверов требуют специальные пакеты.

В последнее время в SCADA-системах стал применяться стандарт ОРС (OLE for Process Control), который предлагает достаточно широкий спектр возможностей для контроля над данными. Организация инструментальных средств (Toolkits) для создания ОРС-серверов допускает при обмене данными с ОРС-сервером два режима:

- периодический режим, когда с заданной частотой данные запрашиваются ОРС-клиентом;

- режим по изменению значения, когда обмен происходит при изменении значения переменной на заданную (при конфигурировании обмена) величину.

В SCADA-системах обычно присутствуют встроенные средства проверки взаимодействия с коммуникационным сервером. Причем реализации диагностических средств в SCADA-системах различаются - от самого прозрачного способа, когда в приложении имеется доступ непосредственно к Status и Substatus, например, через поля переменных (как это сделано в InTouch) до связывания всех проблем с подсистемой аппаратных алармов (как это реализовано в Citect). Но способ оценки качества связи, причём как связи между SCADA-приложением и сервером, так и сервера с контроллерным уровнем существовать должен.

В технологиях ActiveX, выделяются следующие аспекты:

- выбор типов, ActiveX-объектов, используемых в конкретной SCADA-системе;

- ограничения, накладываемые на применения объектов ActiveX;

- простота применения в приложении.

Первый аспект является решающим, и рассмотрение поддерживаемых типов важно при тестировании.

Объект ActiveX играет роль сервера по отношению к контейнеру (SCADA-приложению), являющемуся клиентом. Объект ActiveX может быть реализован в двух основных режимах: как сервер, встроенный в процесс (in-process), и как сервер, исполняющийся в отдельном процессе (out-of-process).

Этим двум способам исполнения соответствуют две реализации объектов ActiveX - в виде динамических библиотек и в виде исполняемых модулей.

Многие компании занимаются разработкой драйверов, ActiveX-объектов и другого программного обеспечения для SCADA-систем. Это важно при использовании SCADA-пакета, поскольку это позволяет расширять область применения системы.

Сервис, предоставляемый SCADA-системами на этапе разработки ППО, очень высок - это вытекает из основных требований к SCADA-системам. Почти все они имеют Windows-подобный пользовательский интерфейс, что во многом повышает удобство их использования, как в процессе разработки, так и в период эксплуатации прикладной задачи.

По количеству установок зарубежных систем, исчисляющихся в тысячах (InTouch - 80000, Genesis - 30000), поддержка этих систем очень эффективна. Российские производители так же обеспечивают серьёзный уровень сервиса для своих заказчиков в виде документации, регулярных курсов, "горячей линии" и решения проблем связанных с индивидуальными требованиями заказчика.

Любая система управления, имеющая интерфейс с оператором, должна допускать возможность общения с человеком на его родном языке. Поэтому крайне важна возможность использования в системе различных шрифтов кириллицы, ввод/вывод системных сообщений на русском языке, перевод документации, различных информационных материалов. Для российских систем эта проблема вообще отсутствует, так как они разрабатывались отечественными фирмами. Для многих зарубежных продуктов проблема русификации в значительной мере снимается, во всяком случае, для подсистем исполнения или RunTime-подсистем, если они используют наборы шрифтов Windows. Часть зарубежных систем имеют переводы документации на русский язык (InTouch). Кроме процедуры русификации важно, чтобы в русифицированной версии отслеживались последние обновления (update), реализованные фирмами разработчиками в виде PatchFix и ServicePack.

3.5.2 Обоснование выбора SCADA-системы

Сравнительные характеристики SCADA-систем InTouch 10.0 iFIX 3.5, TraceMode 6.05 сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 - Сравнительные характеристики SCADA-систем

Наименование параметра	InTouch 10.0	iFIX 3.5	TraceMode 6.05
Работа под управлением ОС Windows NT/2000	+	+	+
Встроенные языки программирования	Visual Basic, С	VBA 6.3	Techno SFC, Techno LD, Techno FBD, Techno ST, Techno IL
Поддержка ОРС-технологии	+	+	+
Поддержка ActiveX-технологии	+	+	+
Степень удобства интерфейса	+	+	+
Поддержка обновлений	+	+	+
Поддерживаемые сетевые протоколы	SuiteLink, NetDDE, TCP/IP	NetDDE, TCP/IP	NetDDE, TCP/IP, IPX/SPX
Поддержка реляционных БД	+	+	+

Как видно из таблицы, характеристики SCADA-пакетов приблизительно схожи. В отличие от других SCADA пакетов, TraceMode предоставляет бесплатный полнофункциональный пакет разработки. К тому же пакет полностью русифицирован и техническая поддержка на русском языке.

3.5.3 Описание алгоритмов работы печи

Процесс работы печи состоит из пяти режимов: ВЕНТИЛЯЦИЯ, РОЗЖИГ, ПРОГРЕВ, РАБОТА, СТОП.

Пуск печи производится из режима СТОП по команде оператора, при этом не должно быть причин, препятствующих пуску печи. Разрешение на розжиг печи контролируется автоматически.

После подачи оператором команды ПУСК происходит переход в режим ВЕНТИЛЯЦИЯ. При этом продувается теплообменная камера печи воздухом с помощью работы воздуходувки в течении 300 сек. После продувки производится проверка загазованности в течении 60 сек. При наличии загазованности 50% печь перейдёт в режим СТОП и процесс пуска печи необходимо будет повторить заново, а при загазованности 20% продувка не заканчивается до исчезновения загазованности.

При отсутствии загазованности начинается режим РОЗЖИГ. В режиме РОЗЖИГ производится подача запального газа на горелки и включается искра в течении 30 сек. После появления пламени на всех четырех горелках снимается напряжение разрядников, происходит открытие затвора подачи топливного газа к камерам сгорания и подаётся основной газ. Если сигнал индикатора пламени не появился хотя бы на одной горелке, выдается сообщение и розжиг прекращается.

После появления основного пламени, запальный газ перекрывается и печь переходит в режим ПРОГРЕВ и прогревается в течении 600 сек. до набора уставки по температуре нагреваемой жидкости.

По окончании ПРОГРЕВА печь переходит в режим РАБОТА. В этом режиме автоматически поддерживается заданная оператором температура нефти на выходе печи путём регулирования давления газа.

В случае блокировки розжига (работы) печи на каком-либо этапе, появляется причина блокировки и производится отсечка газа и производится послеостановочная продувка в течении 300 сек.

Останов печи производится по команде оператора. В результате, прекращается подача газа на горелки, закрывается регулирующий затвор по газу и печь переходит в режим ВЕНТИЛЯЦИЯ. По истечении 300 сек. печь переходит в режим СТОП.

Блок-схемы алгоритмов работы печи приведены в приложении Г.

3.5.4 Структура операторского интерфейса

Мнемосхемы процесса - это графическое изображение оборудования печи. Мнемосхемы в максимальной степени отражают структуру, реальное состояние процесса и полевого оборудования. Количественная информация о процессе и состоянии оборудования отображается на мнемосхемах в виде численных значений параметров.

Параметры, по которым производятся сигнализация и управление, обозначаются на мнемосхемах следующим образом:

- аналоговые сигналы имеют поле с наименованием позиции, поле численного значения и поле с наименованием единицы измерения;

- дискретные сигналы имеют табло с текстовым сообщением, подсвеченное желтым или красным цветом, которое появляется при наличии сигнализации.

На рисунках 3.10-3.13 изображены разработанные экраны.



Рисунок 3.11 - Журнал аварий

Рисунок 3.12 - График параметров реального времени

Рисунок 3.13 - Журнал событий

4. Расчет точности отображения на экранах аналоговых значений

Точность отображения на экранах оператора значений аналоговых параметров должна стремиться к реальным значениям аналоговых датчиков. А как таковой расчет точности отображения значений аналоговых параметров имеет большое значение для проектировщика.

Произведем расчет точности отображения аналоговых значений.

Точность отображения рассчитывается по следующей формуле:

	(4.1)

где К- класс точности датчика.

Класс точности и пределы измерения датчика возьмем из таблицы КИПиА.

МИДА-ДИ-13П-Ех-0,5/0-0,25МПа-У2-01-ТУ4212-044-1800448-00

МПа.

МИДА-ДИ-13П-Ех-0,5/0-2,5МПа-У2-01-ТУ4212-044-1800448-00

МПа.

ТСМУ-205Ех-120мм--50…+50⁰С-0,25%-У1.1-OEхiallCT6X-ТУ4227-003-13282997-95

⁰С.

ТСМУ-205Ех-250мм-0…+180⁰С-0,25%-У1.1-OEхiallCT6X-ТУ4227-003-13282997-95

⁰С.

ДРГ.М-400

м³/час.

МИГ-200-4

м³/час.

5. Расчет надежности системы автоматизации

5.1 Назначение расчета надежности системы

Объектом расчета надежности является автоматизированная система управления процессом подогрева нефти в печах типа ПТБ-10. Расчет надежности требуется для определения достигнутого уровня надежности системы и ее составных частей в ходе проектирования системы автоматизации.

Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, а так же после ремонта, хранения, транспортировки.

Список оцениваемых показателей надежности:

- среднее время безотказной работы;

- показатель интенсивности отказов;

- коэффициент готовности системы;

- коэффициент надежности;

- показатель ремонтопригодности.

Автоматизированная система управления является многофункциональной, восстанавливаемой системой непрерывного действия, и характеризуется коэффициентом готовности, показателями безотказности и ремонтопригодности по основным выполняемым функциям.

Отказы бывают полными и частичными. При полном отказе объект не может выполнять ни одну из предписанных ему функций, а при частичном - некоторые из функций могут сохраняться.

Отказы бывают простые и сложные. Простой отказ устраняется путем простого восстановления или его замены. При сложном отказе выход из стоя хотя бы одного элемента приводит к необходимости настройки всей системы или ее объектов.

В рабочем состоянии объект может находиться в режимах:

- нормальном;

- аварийном;

- послеаварийном.

Нерабочее состояние включает в себя состояние:

- предупредительного ремонта;

- аварийного ремонта;

- аварийного простоя;

- зависимого просто.

Живучесть - свойство системы противостоять крупным возмущениям, не допуская их цепочного развития и массового отказа элементов.

Безопасность - свойство объекта не создавать опасности для людей и окружающей среды во всех возможных режимах работы и при аварийных ситуациях.

Для расчета показателей надежности АСУ ПТБ выбран структурный метод расчета, основанный на представлении объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов, с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций, с последующим построением адекватной математической модели и вычислением показателя надежности объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

Представляя систему из независимых блоков, представленных на структурной схеме, необходимо учитывать надежность системы с точки зрения показателя безотказности. Вероятности отказов блоков являются независимыми случайными величинами, так как отказ одного из блоков не вызывает отказ других.

Количественной характеристикой эксплуатационной надежности восстанавливаемой САР может служить суммарная продолжительность безотказной работы (суммарная наработка).

Вероятность того, что система будет работоспособна в любой момент времени, будет характеризоваться коэффициентом готовности. Коэффициент готовности является важным показателем надежности восстанавливаемых САР, так как характеризует готовность их к работе. Будучи, зависим от быстроты устранения отказа (восстановления системы), он позволяет оценивать эксплуатационные качества САР, в частности, удобство эксплуатации, ее стоимость, квалификацию обслуживающего персонала.

Интенсивность отказов - количественно характеризуя надежность системы автоматического регулирования, позволяет установить указанные периоды их работы, рациональную продолжительность времени тестирования (приработки) систем до начала функционирования, а также ресурс до профилактического ремонта и уменьшить тем самым число отказов при эксплуатации [2].

Показатель ремонтопригодности опущен, т.к. на восстановление работоспособности. АСУ ТП из-за вышедшего из строя элемента программно-технического комплекса уйдет не больше 1 часа (сюда входит - замена вышедшего из строя элемента из запаса).

5.2 Исходные данные о системе

Автоматизированная система управления обеспечивает сбор, обработку, передачу и представление информации от датчиков по линиям связи, контроль состояния объектов, сигнализацию отклонения параметров от нормы, регулирование параметров процесса по стандартным законам, дистанционное управление работой объектов, защиту (останов) технологического оборудования, формирование аварийных и технологических сообщений, ведение базы данных и др. АСУ ТП обеспечивает функционирование технологического оборудования в течение всего срока эксплуатации.

Для всех входящих в АСУ ТП подсистем предусмотрена возможность замены отдельных модулей без выключения электропитания всего устройства, при этом осуществляется автоматическое распознавание замененных модулей, их включение в работу (при замене неисправного идентичным) или сигнализация об ошибке (в случае, если вместо неисправного установлен модуль другого типа).

Все компоненты. АСУ ТП питаются от сети переменного тока напряжением от 170 до 276 В. и частотой от 47 до 63 Гц, имеют энергонезависимую память и обеспечены источниками бесперебойного питания. Ввод резервных источников питания в работу производиться автоматически, время перехода на резервные источники питания - 15-50 мс. Время питания системы от источников бесперебойного питания - не менее 100 мин.

Объект находится в круглосуточном функционировании с возможным отсутствием обслуживающего персонала.

Исходя из основных принципов построения системы и разбиения ее на блоки, надежность всей системы будет определяться блоком с наименьшей надежностью, так как вероятность выхода из строя такого блока наибольшая.

С точки зрения надежности. АСУ ТП рассматриваются три функции:

- информационная;

- управляющая;

- функция защиты.

Элементы АСУ ТП, участвующие при выполнении основных функций, размещены в аппаратных шкафах и функционируют в постоянном (круглосуточном) режиме. Остановка работы АСУ ТП может производиться только во время проведения плановых или ремонтных работ технологического оборудования.

Используемые датчики эксплуатируются в соответствии с паспортными данными заводов-изготовителей и при выработке своего ресурса заменяются. Срок службы вычислительной техники позволяет эксплуатировать систему в течение всего времени эксплуатации.

Основным показателем, характеризующим надежность работы элементов системы, является интенсивность потока отказов элементов системы.

Ниже приводится перечень значений интенсивности отказов отдельных элементов, участвующих при выполнении основных функций системы управления:

- датчики: 1/час;

- исполнительные механизмы: 1/час;

- модули ввода/вывода: 1/ час;

- линии связи: 1/ час;

- контроллер SIMATIC S7-300: 1/час;

- модуль CP 343-1 Lean: 1/час;

- сервер системы: 1/час.

5.3 Структурный метод расчета надежности

Используется расчетный метод оценки надежности для проверки соответствия достигнутого уровня надежности объекта установленным требованиям, так как прямое экспериментальное подтверждение их уровня надежности невозможно технически и нецелесообразно экономически. Исходя из основных принципов расчета свойств, составляющих надежность, и комплексных показателей надежности используется структурный метод расчета - основанный на представлении объекта в виде логической (структурно - функциональной) схемы (в соответствии с ГОСТ 27.301-95).

Структурный метод расчета является основным методом расчета показателей безотказности, ремонтопригодности и комплексных показателей надежности в процессе проектирования объектов, поддающихся разбиению на элементы, характеристики, надежности которых в момент проведения расчетов известны или могут быть определены другими методами.

Расчет показателя надежности структурными методами в общем случае включает:

- представление объекта в виде структурной схемы, описывающей логические соотношения между состояниями элементов и объекта в целом с учетом структурно-функциональных связей и взаимодействия элементов, принятой стратегии обслуживания, видов и способов резервирования и других факторов;

- описание построенной структурной схемы надежности объекта адекватной математической моделью позволяющей в рамках введенных предположений и допущений вычислить показатель надежности по данным о надежности его элементов в рассматриваемых условиях их применения.

В качестве структурных схем надежности могут применяться:

- структурные блок-схемы надежности, представляющие объект в виде совокупности определенным образом соединенных (в смысле надежности) элементов;

- диаграммы состояний и переходов, описывающих возможные состояния объекта и его переходы из одного состояния в другое в виде совокупности состояний и переходов его элементов.

Математические модели, применяемые для описания соответствующих структурных схем надежности, определяются видами и сложностью указанных структур, принятыми допущениями относительно видов законов распределения характеристик надежности элементов, точностью и достоверностью исходных данных для расчета и другими факторами.

Расчеты показателей безотказности технических средств обычно проводятся в предположении, что как вся система, так и любой ее элемент могут находиться только в одном из двух возможных состояний - работоспособном и неработоспособном и отказы элементов независимы друг от друга. Состояние системы (работоспособное или неработоспособное) определяется состоянием элементов и их сочетанием. Поэтому теоретически возможно расчет безотказности любой системы свести к перебору всех возможных комбинаций состояний элементов, определению вероятности каждого из них и сложению вероятностей работоспособных состояний системы.

Такой метод (метод прямого перебора) практически универсален и может использоваться при расчете любых систем. Однако при большом количестве элементов системы n такой путь становится нереальным из-за большого объема вычислений (например, при n=10 число возможных состояний системы составляет, 210= 1024, при n=20 превышает 106, при n=30 - более 109). Поэтому на практике используют более эффективные и экономичные методы расчета, не связанные с большим объемом вычислений. Возможность применения таких методов связана со структурой системы.

а) Системы с последовательным соединением элементов.

Системой с последовательным соединением элементов называется система, в которой отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Такое соединение элементов в технике встречается наиболее часто, поэтому его называют основным соединением.

В системе с последовательным соединением для безотказной работы в течение некоторой наработки t необходимо и достаточно, чтобы каждый из ее n элементов работал безотказно в течение этой наработки. Считая отказы элементов независимыми, вероятность одновременной безотказной работы n элементов определяется по теореме умножения вероятностей: вероятность совместного появления независимых событий равна произведению вероятностей этих событий:

,(5.1)

(далее аргумент t в скобках, показывающий зависимость показателей надежности от времени, опускаем для сокращения записей формул). Вероятность отказа такой системы:

(5.2)

Из формул (5.1) - (5.2) очевидно, что даже при высокой надежности элементов надежность системы при последовательном соединении уменьшается при увеличении числа. Кроме того, поскольку все сомножители в. правой части выражения (5.1) не превышают единицы, вероятность безотказной работы системы при последовательном соединении не может быть выше вероятности безотказной работы самого ненадежного из ее элементов (принцип "хуже худшего") и из малонадежных элементов нельзя создать высоконадежной системы с последовательным соединением.

Если все элементы системы работают в периоде нормальной эксплуатации, и имеет место простой поток отказов, наработки элементов и системы подчиняются экспоненциальному распределению, то на основании (5.1) можно записать:

(5.3)

где - интенсивность отказов системы:

.(5.4)

Таким образом, интенсивность отказов системы при последовательном соединении элементов и простейшем потоке отказов равна сумме интенсивностей отказов элементов.

Из (5.3) - (5.4) следует, что для системы из n равнонадёжных элементов ()

(5.5)

т.е. интенсивность отказов в n раз больше, а средняя наработка в n раз меньше, чем у отдельного элемента.

а) Система с параллельным соединением элементов.

Системой с параллельным соединением элементов называется система, отказ которой происходит только в случае отказа всех ее элементов. Такие схемы надежности характерны для систем, в которых элементы дублируются или резервируются, т.е. параллельное соединение используется как метод повышения надежности.

Для отказа системы с параллельным соединением элементов в течение наработки t необходимо и достаточно, чтобы все ее элементы отказали в течение этой наработки. В этом случае отказ системы заключается в совместном отказе всех элементов, вероятность такого события (при допущении независимости отказов) может быть найдена по теореме умножения вероятностей как произведение вероятностей отказа элементов:

(5.6)

Соответственно, вероятность безотказной работы:

(5.7)

Для систем из равнонадежных элементов ():

(5.8)

т.е. надежность системы с параллельным соединением повышается при увеличении числа элементов.

Поскольку , произведение в правой части (5.6) всегда меньше любого из сомножителей, т.е. вероятность отказа системы не может быть выше вероятности отказа самого надежного ее элемента ("лучше лучшего") и даже из сравнительно ненадежных элементов возможно построение вполне надежной системы.

При экспоненциальном распределении наработки выражение (5.8) принимает вид:

(5.9)

откуда после интегрирования и преобразований средняя наработка системы определяется:

(5.10)

где - средняя наработка элемента.

При больших значениях n справедлива приближенная формула:

(5.11)

Таким образом, средняя наработка системы с параллельным соединением больше средней наработки ее элементов.

Системы типа "m из n".

Систему типа "m из n" можно рассматривать как вариант системы с параллельным соединением элементов, отказ которой произойдет, если из n элементов, соединенных параллельно, работоспособными окажутся менее m элементов (m < n).

На рисунке. 5.1 представлена система "2 из 5", которая работоспособна, если из пяти её элементов работают любые два, три, четыре или все пять (на схеме пунктиром обведены функционально необходимые два элемента, причем выделение элементов 1 и 2 произведено условно, в действительности все пять элементов равнозначны).

Рисунок 5.1 - Система "2 из 5"

Для расчета надежности систем типа "m из n" при сравнительно небольшом количестве элементов можно воспользоваться методом прямого перебора. Он заключается в определении работоспособности каждого из возможных состояний системы, которые определяются различными сочетаниями работоспособных и неработоспособных состояний элементов.

5.4 Расчет показателей надежности

5.4.1 Структурная схема соединения элементов

Структурная схема соединений элементов надежности для автоматизированной системы управления процессом подогрева нефти в печах типа ПТБ-10 показана на рисунке 5.2. Схема разработана в соответствии со структурной схемой ИУС и предусматривает информационную, управляющую функции АСУ ТП и функцию защиты.

Рисунок 5.2 - Структурная схема соединений элементов надежности

Для упрощения дальнейших расчетов разобьем часть системы на подсистемы I и II. В этом случае схема соединений элементов надежности упростится и примет вид, показанный на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Упрощенная схема соединения элементов надежности

Рассмотрим по отдельности элементы I и II и определим для них показатели надежности.

Элемент I, структурная схема представлена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Структурная схема элемента I

Вероятность безотказной работы для контроллера равна , вероятности безотказной работы модуля TCP/IP равна .

Вероятность безотказной работы элемента I будет определяться следующим образом:

.(5.12)

В качестве модели вероятности безотказной работы контроллеров, линии связи и интерфейсных модулей выбирается экспоненциальная модель, тогда:

,(5.13)

.(5.14)

С учетом выражений (5.12), (5.13) и (5.14) среднее время безотказной работы элемента I определяется следующим образом:

.(5.15)

Таким образом:

 час.

Интенсивность отказов элемента I определяется следующим выражением:

.(5.16)

Для определения интенсивности отказов за период безотказной работы элемента I необходимо в выражение (5.16) подставить . Так как функция интенсивности отказов является возрастающей, то все значения интенсивности отказов за период безотказной работы не будут превышать значение .

Таким образом: 1/час.

Структурная схема элемента II представлена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 - Структурная схема элемента II

Вероятность безотказной работы для сервера равна .

Вероятность безотказной работы элемента II будет определяться следующим образом:

.(5.17)

В качестве модели вероятности безотказной работы контроллеров, линии связи и интерфейсных модулей выбирается экспоненциальная модель, тогда:

.(5.18)

С учетом выражений (5.17) и (5.18) среднее время безотказной работы элемента II определяется следующим образом:

.(5.19)

Таким образом:

час.

Интенсивность отказов элемента II определяется следующим выражением:

.(5.20)

Для определения интенсивности отказов за период безотказной работы элемента II необходимо в выражение (5.20) подставить . Так как функция интенсивности отказов является возрастающей, то все значения интенсивности отказов за период безотказной работы не будут превышать значение .

Таким образом: 1/час.

Для расчета надежности системы по функции защиты необходимо рассчитать надежность элемента "контроллер", обозначим его элемент III.

Элемент III,структурная схема представлена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Структурная схема элемента III

Вероятность безотказной работы элемента III будет определяться следующим образом:

.(5.21)

В качестве модели вероятности безотказной работы контроллеров, линии связи и интерфейсных модулей выбирается экспоненциальная модель, тогда:

,(5.22)

С учетом выражений (5.21) и (5.22) среднее время безотказной работы элемента III определяется следующим образом:

.(5.23)

Таким образом: час. Интенсивность отказов элемента III определяется следующим выражением:

. (5.24)

Для определения интенсивности отказов за период безотказной работы элемента III необходимо в выражение (5.24) подставить . Так как функция интенсивности отказов является возрастающей, то все значения интенсивности отказов за период безотказной работы не будут превышать значение .

Таким образом: 1/час.

5.4.2 Надежность системы при реализации информационной функции

Для расчета показателей надежности по функциям выполняемым АСУ ТП представляем структурную схему надежности для каждой функции в виде последовательно соединенных элементов (т.е. отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения в целом).

Структурная схема для информационной функции представлена на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 - Структурная схема соединения элементов для информационной функции

Составим блок-схему расчета надежности информационной функции АСУ ТП. Интенсивность отказов элементов системы:

- 1/час;

- 1/ час;

- 1/ час;

- 1/ час;

- 1/ час.

Интенсивность отказов системы:

1/час.

Среднее время безотказной работы:

.(5.25)

Т= 53561 часа, что составляет 6,11 лет.

Вероятность безотказной работы за время t₀=1 год:

,(5.26)

.

Коэффициент готовности системы:

,(5.27)

где ,

- время восстановления (для всех элементов примем 1 час).

В этом случае .

5.4.3 Надежность системы при реализации управляющей функции

Структурная схема для управляющей функции представлена на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Структурная схема соединения элементов для управляющей функции

Интенсивность отказов элементов системы:

- 1/час;

- 1/ час;

- 1/ час;

- 1/ час;

- 1/час.

Интенсивность отказа всей системы:

1/час.

Среднее время безотказной работы согласно формуле (5.25) Т= 52714 часов, что составляет 6,02 лет.

Вероятность безотказной работы за время t₀=1 год согласно формуле (5.26)

Коэффициент готовности системы:

,(5.28)

где ,

- время восстановления (для всех элементов примем 1 час).

В этом случае .

5.4.4 Надежность системы при реализации функции защиты

Структурная схема для функции защиты представлена на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 - Структурная схема соединения элементов для функции защиты

Интенсивность отказов элементов системы:

- 1/час;

- 1/час;

- 1/ час;

- 1/ час;

- 1/ час.

Интенсивность отказа функции защиты всей системы:

 (1/час).

Среднее время безотказной работы согласно формуле (5.25) Т= 56529 часов, что составляет 6,45 лет.

Вероятность безотказной работы за время t₀=1 год согласно формуле (5.26) .

Коэффициент готовности системы:

,(5.29)

где ,

- время восстановления (для всех элементов примем 1 час).

В этом случае .

5.5 Анализ результатов расчета

Результаты расчетов показателей надежности для АСУ ТП приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Результаты расчета показателей надежности

Выполняемые функции АСУ ТП	Показатели надежности
	Интенсивность отказов системы , 1/час	Среднее время безотказной работы	Вероятность безотказной работы за год	Коэффициент готовности системы
		час	лет
Информационная	1,867·10-5	53561	6,11	0,849	0,99998
Управляющая	1,897·10-5	52714	6,02	0,847	0,99998
Функция защиты	1,769·10-5	56529	6,45	0,856	0,99998

Расчеты показывают, что система управления имеет хорошие результаты по показателям надежности. Расчетные зависимости для определения основных характеристик надежности АСУ ТП показывают, что надежность системы зависит от ее структуры (структурно - логической схемы) и надежности элементов.

Поэтому возможны два пути повышения надежности:

- повышение надежности отдельных элементов;

- изменение структурной схемы включения элементов надежности.

Наиболее простой метод повышения надежности системы заключается в повышении надежности составных элементов. Действительно, теоретически всегда можно использовать такие элементы, характеристики надежности которых удовлетворяют заданным требованиям безотказной работы системы. Однако практическая реализация такой высокой надежности элементов может оказаться невозможной. Поэтому на практике для повышения надежности всей АСУ ТП вводят дополнительные, избыточные элементы, включающиеся в работу при отказе основных, то есть используют резервирование основного оборудования.

Принцип резервирования подобен рассмотренному ранее параллельному соединению элементов и соединению типа "n из m", где за счет избыточности возможно обеспечение более высокой надежности системы, чем ее элементов.

Данные расчеты сделаны с целью прогноза ожидаемого уровня надежности АСУ ТП и носят предварительный характер, так как базируются на учете свойств только программно-технического комплекса АСУ ТП. Необходимо также отметить, что для реальной системы показатели надежности могут быть лучше, так как при расчетах использовались данные с наихудшими показателями безотказной работы.

6. Безопасность и экологичность проекта

6.1 Обеспечение безопасности работающих

6.1.1 Характеристика условий труда

Работа оператора ПЭВМ относится к категории работ, связанных с опасными и вредными условиями труда. В процессе труда на оператора ПЭВМ оказывают действие следующие опасные и вредные производственные факторы: физические, химические, психофизиологические, биологические.

а) Физические факторы:

2) повышенный уровень электромагнитного излучения;

3) повышенный уровень рентгеновского излучения;

4) повышенный уровень ультрафиолетового излучения;

5) повышенный уровень инфракрасного излучения;

6) повышенный уровень статического излучения;

7) повышенное содержание положительных аэроионов в воздухе рабочей зоны;

8) пониженное содержание отрицательных аэроионов в воздухе рабочей зоны;

9) пониженная или повышенная влажность воздуха рабочей зоны;

10) пониженная или повышенная подвижность воздуха рабочей зоны;

11) повышенный уровень шума;

12) повышенный или пониженный уровень освещенности;

13) повышенный уровень прямой блеклости;

14) неравномерность распределения яркости в поле зрения;

15) повышенная яркость светового изображения;

16) повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

б) Химические факторы:

1) повышенное содержание в воздухе рабочей зоны двуокиси углерода, озона, аммиака, фенола и формальдегида.

в) Психофизиологические факторы:

1) напряжение зрения;

2) напряжение внимания;

3) интеллектуальные нагрузки;

4) эмоциональные нагрузки;

5) длительные статические нагрузки;

6) монотонность труда;

7) большой объем информации, обрабатываемой в единицу времени;

8) нерациональная организация рабочего времени.

г) Биологические факторы:

1) повышенное содержание в воздухе рабочей зоны микроорганизмов.

Таким образом, отрицательные факторы, воздействующие на оператора ПЭВМ, можно разделить на две группы. Первые связаны с психологическими и физиологическими особенностями человека. Это монотонность работы оператора при вводе данных, эмоциональные перегрузки, стрессы из-за вероятности как сбоев в системах, так и появления собственных ошибок, перегрузки ряда систем организма (глаз, мышц кисти, предплечья, шей и спины). Немаловажен также недостаток физической нагрузки на другие части организма.

Факторы второй группы связаны с внешними условиями, в которых находится во время работы оператор: нарушение эргономических требований на рабочем месте, дискомфортный микроклимат, различные излучения, недостаточная освещенность рабочей поверхности и т.п. Сюда же относятся факторы, связанные с особенностями конструкций, устройств отображения информации.

6.1.2 Разработка рабочего места оператора с учетом требований эргономики

В условиях современного интенсивного использования ЭВМ важное значение имеет изучение психофизиологических особенностей и возможностей человека с целью создания вычислительной техники, обеспечивающей максимальную производительность труда и сохранение здоровья людей. Игнорирование эргономики может привести к довольно серьезным последствиям.

При эргономической проработке системы важную роль играет планировка рабочего места. Она должна соответствовать правилам охраны труда и удовлетворять требованиям удобства выполнения работы, экономии энергии и времени оператора.

При организации рабочего места следует принимать во внимание данные антропометрии (в антропологии система измерения человеческого тела и его частей). Движения работника должны быть такими, чтобы группы мышц его были нагружены равномерно, а лишние непроизвольные движения устранены.

Основным документом, определяющим условия труда на персональных ЭВМ, являются "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам (ВДТ), персональным электронно-вычислительным машинам (ПЭВМ) и организации работы. Санитарные нормы и правила СанПиН 2.2.2.542-96, которые были утверждены и введены в действие Постановлением № 14 Госкомсанэпиднадзора России 2003 года.

В Правилах указаны основные требования к помещениям, микроклимату, шуму и вибрации, освещению помещений и рабочих мест, организации и оборудованию рабочих мест.

В соответствии с основными требованиями к помещениям для эксплуатации ПЭВМ эти помещения должны иметь естественное и искусственное освещение. Площадь на одно рабочее место для взрослых пользователей должна составлять не менее 6,0 м2, а объем - не менее 20,0 м3. Помещения с ПЭВМ должны оборудоваться системами отопления, кондиционирования воздуха или эффективной приточно-вытяжной вентиляцией. Для внутренней отделки интерьера помещений с ПЭВМ должны использоваться диффузионно-отражающие материалы с коэффициентом отражения от потолка - 0.7 - 0.8; для стен - 0.5 - 0.6; для пола - 0.3 - 0.5. Поверхность пола в помещении должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки, обладать антистатическими свойствами.

а) Микроклимат.

На прием и переработку информации оператором могут влиять такие факторы внешней среды, как температурные условия, шум, вибрация, освещенность, изменение внешнего давления, изменение газового состава воздуха, электромагнитные излучения. Они могут резко изменить соматическое и психологическое состояние работника, а, следовательно, снизить эффективность его деятельности.

В производственных помещениях температура, относительная влажность и скорость движения воздуха на рабочих местах должны соответствовать действующим санитарным нормам микроклимата для категории тяжести работ Ia, которые указаны в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ПЭВМ

Период года	Температура воздуха, 0С не более	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холодный	21-23	40-60	0,1
Теплый	22-24	40-60	0,2

Шум

Основные требования к шуму и вибрации устанавливают, что в производственных помещениях уровни шума на рабочих местах не должны превышать значений, установленных для данных видов работ "Санитарными нормами допустимых уровней шума на рабочих местах".

Допустимые уровни звука на рабочих местах нормируются по ГОСТ 12.1.003-83 и СНиП 3223-85. Значения допустимых уровней шума приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Допустимые уровни шума

Объект	Общий уровень звука, дБ	Уровни звукового давления, дБ в среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
		63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Постоянное рабочее место: - при воздействии до 4 ч - при воздействии до 8 ч
	80	95	87	82	78	75	73	71	69
	86	101	93	88	81	79	77	75

Снизить уровень шума в помещениях возможно, используя звукопоглощающие материалы с максимальными коэффициентами звукопоглощения в области частот 63 - 8000 Гц для отделки помещений.

б) Освещение

Естественное освещение должно осуществляться через светопроемы (окна), ориентированные преимущественно на север и северо-восток, и обеспечивать коэффициент естественной освещенности не ниже 1,5%. Рабочие места по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно слева.

Искусственное освещение в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В качестве источников света при искусственном освещении должны применяться преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ. Общее освещение следует выполнять в виде сплошных или прерывистых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест.

6.1.3 Расчет освещенности операторной

К системам освещения предъявляются следующие основные требования:

- соответствие уровня освещенности рабочего места характеру выполняемой зрительной работы;

- достаточно равномерное распределение яркости на рабочих поверхностях и окружающем пространстве;

- отсутствие резких теней, прямой и отражающей блеклости (блеклость - повышенная яркость светящихся поверхностей, взывающая ослепленность);

- постоянство освещенности во времени;

- оптимальная направленность излучаемого осветительными приборами светового потока;

- долговечность, экономичность, электро- и пожаробезопасность, эстетичность, удобство и простота в эксплуатации.

Для оценки производственного освещения используются следующие параметры:

- сила света - J;

- освещенность - Е;

- яркость - В;

- коэффициент отражения - Q;

- коэффициент пульсации - Кп;

- коэффициент естественной освещенности - КЕО.

В нашем случае, когда одного естественного освещения в помещениях недостаточно, устраивают совмещенное освещение. При этом дополнительное искусственное освещение применяют не только в темное, но и в светлое время суток.

Рекомендуемая освещенность для работы с экраном дисплея составляет 200 лк, а при работе над документами - 400 лк согласно СНиП 23-05-95. Рекомендуемые яркости в поле зрения операторов должны лежать в пределах 1:5 - 1:10. Контрастность изображения знака не менее 0,8.

Для расчета искусственного освещения используем второй метод. В методе "коэффициента использования" основная расчетная формула для определения светового потока лампы (или ламп) в светильнике имеет вид:

,(6.1)

где Е - нормируемая минимальная освещенность, лк (табличные данные);

К_З - коэффициент запаса, учитывающий запыление светильников и износ источников света в процессе эксплуатации (табличные данные);

S - освещаемая площадь, м²;

z - коэффициент неравномерности освещения;

n - число ламп в светильнике;

N - число светильников;

- коэффициент использования излучаемого светильником светового потока, который показывает, какая часть от общего светового потока приходится на расчетную плоскость.

По формуле (6.1) ведут расчет, если известно число светильников и число ламп в светильнике, а требуется подобрать тип и мощность ламп.

Для расчетов по формуле (6.1) коэффициенты выбираются следующими:

- при эксплуатации ПЭВМ в помещениях, освещаемых люминесцентными лампами, и при условии чистки светильников не реже двух раз в год КЗ = 1,4...1,5;

- при оптимальном расположении светильников (исходя из условия создания равномерного освещения) коэффициент неравномерности z = 1,1 для люминесцентных ламп;

- коэффициент использования светового потока зависит от типа светильника, коэффициентов отражения потолка П и стен СТ, а также геометрических размеров помещения и высоты подвеса светильников, что учитывается одной комплексной характеристикой помещения (индекс помещения), которая рассчитывается по формуле (6.2):

,(6.2)

где А - длина помещения (м);

В - ширина помещения (м);

h - высота подвеса светильников над рабочей поверхностью (м).

Операторная имеет размеры:

Длина А = 4 м, ширина В = 3 м, высота Н = 2,4 м.

Для рабочего места оператора ПЭВМ уровень рабочей поверхности над полом составляет 0,8 м. Тогда: h = Н - 0,8 = 1,4 м.

Тогда индекс помещения равен:

Коэффициент использования светового потока при и равен - =0,46.

Рассчитаем требуемый световой поток, полагая, что N=1, а n=2:

По полученному в результате расчета требуемому световому потоку выбираем стандартную люминесцентную лампу ЛХБ 40 либо ЛТБ 40 с характеристиками: мощность 20 Вт, световой поток 2780 лм, световая отдача 69,5 лм/Вт.

Допускается отклонение величины светового потока лампы не более -10…+20% (при выборе этих типов ламп отклонение +7%).

Определим количество светильников оп формуле (6.3):

(6.3)

Таким образом для освещения операторной необходима один светильник с люминесцентными лампами ЛТБ 40 (ЛХБ 40).

а) Организация рабочего места оператора

Конструкция рабочего стола оператора должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей, характера выполняемой работы. Высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680 - 800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725 мм. Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм.

Конструкция рабочей мебели должна обеспечивать возможность индивидуальной регулировки соответственно росту оператора и создавать удобную позу. Часто используемые предметы труда должны находиться в оптимальной рабочей зоне, на одном расстоянии от глаз работающего. Рабочее кресло должно иметь подлокотники. Рабочее кресло должно обеспечивать поддержание рациональной позы при работе с ЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статистического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Рабочее место должно быть оборудовано подставкой для ног, регулируемой по высоте и углу наклона опорной поверхности.

Экран видеомонитора должен находиться от глаз оператора на оптимальном расстоянии 600-700 мм, но не ближе 500 м (приблизительно на длину вытянутой руки).

Помещение должно быть оснащено аптечкой первой помощи.

Исходя из вышеперечисленных норм, сформулированы следующие основные характеристики операторной.

Операторная выполнена из теплоизоляционных материалов, что позволяет использовать его в различных климатических условиях. В стандартную комплектацию входят отопитель, кондиционер, подогрев пола, что позволяет создать комфортабельные условия для работы персонала.

Основные технические параметры операторной:

- длина0 мм

- ширина0 мм

- высота 0 мм

- температурный режим от -50С до +50С.

6.1.4 Электробезопасность и защита от статического электричества

В помещении операторной используется следующее электрооборудование:

- осветительные приборы;

- промышленный компьютер;

- интерфейсный блок (контроллер, устройства ввода/вывода, блок питания).

Все вышеперечисленные приборы запитаны от сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Электропроводка выполнена по трехпроводной схеме (фаза, ноль, заземление).

Возможные источники поражения электрическим током:

- повреждение питающих кабелей;

- повышенная влажность в помещении.

Статическое электричество - причина нарушения работы оборудования, снижение точности показаний приборов и автоматики, выход из строя полупроводниковых приборов. Разряд статического электричества возникает тогда, когда напряженность электростатического поля над поверхностью диэлектрика достигает критической (пробивной) величины. Для воздуха пробивное напряжение составляет 30 кВ/см.

Заряды статического электричества могут накапливаться на людях. Электризация тела человека происходит при использовании одежды из синтетических тканей, работе с наэлектризованными изделиями и др. накопление зарядов статического электричества возможно тогда. Когда человек изолирован от земли и заземленных предметов непроводящей обувью, полами. Величина накопившегося на людях заряда может быть достаточна для искрового разряда при контакте с заземленным предметом. Физиологическое действие статического электричества на организм человека зависит от величины энергии разряда. Искровой разряд обычно ощущается как укол, толчок или судороги. Сам разряд не является опасным для жизни, так как сила тока ничтожно мала, однако под воздействием этих разрядов возможны рефлекторные движения, приводящие к опасным последствиям.

Меры защиты от статического электричества направлены на предупреждение возникновения и накопления зарядов, создание условий рассеивания зарядов и устранения опасности вредного воздействия статического электричества.

К основным мерам защиты относятся:

- заземление оборудования и коммуникаций;

- уменьшение электрического сопротивления материалов;

- снижение интенсивности возникновения зарядов статического электричества;

- нейтрализация зарядов статического электричества;

- отвод зарядов статического электричества, накапливающихся на людях.

Сопротивление заземляющего устройства, предназначенного для отвода статического электричества, должно быть не более 100 Ом.

Если заземлением не удается предотвратить накопление статического электричества, то следует принять меры к уменьшению объемных и поверхностных электрических сопротивлений материалов. Это достигается повышением относительной влажности, химической обработкой поверхности, применением антистатических веществ, нанесением электропроводных пленок. Отвод зарядов обеспечивается при относительной влажности 65-70%. При этом на поверхности оборудования образуется электропроводящая пленка воды, что достигается увлажнением воздуха.