- 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.

3.5.1.3 Эксплуатационные характеристики SCADA-систем

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

а) удобство интерфейса среды разработки - «Windows - подобный интерфейс», полнота инструментария и функций системы;

б) качество документации - ее полнота, уровень русификации;

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

3.5.1.4 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.

а) Разработка собственных программных модулей.

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.

б) Драйверы ввода-вывода.

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:

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

2) 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) Разработки третьих фирм.

В технологиях ActiveX, выделяются следующие аспекты:

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

2) ограничения, накладываемые на применения объектов ActiveX;

3) 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.

г) Удобство пользования.

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 9.5, iFIX 3.5, TraceMode 6.04 сведены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 - Сравнительные характеристики SCADA-систем

Наименование параметра	InTouch 9.0	iFIX 3.5	TraceMode 6.04
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	+	+	+

Принимая во внимание удобство интерфейса и учитывая возможность использования языка сценариев, основанного на базе языка C, наиболее предпочтительным SCADA-пакетом является Wonderware® FactorySuite™ InTouch 9.0.

Wonderware InTouch 9.0 - это средство создания человеко-машинного интерфейса (HMI) для SCADA-систем и других систем автоматизации производства. InTouch дает возможность создавать операторские интерфейсы под Windows, которые тесно взаимодействует с другими компонентами программного обеспечения фирмы Wonderware и стандартными приложениями Microsoft Office.

Дополнительные модули Статистического Контроля Процессов (SPC), Управления рецептами (Recipe) и Структурированного Языка Запросов (SQL) позволяют сформировать различного рода производственные отчетности.

Wonderware InTouch имеет расширенный набор готовых объектов с индустриальной графикой, которые позволяют создавать сложные и мощные экраны операторского интерфейса легко и быстро.

Для организации выполнения различных алгоритмов в InTouch имеется язык сценариев, на базе языка С.

Программное средство InTouch позволяет выполнять следующего рода задачи:

а) сбор сигналов (определяющих состояние производственного процесса в текущий момент времени - температура, давление, положение и т.д.) с промышленной аппаратуры (контроллеры, датчики);

б) графическое отображение собранных данных на экране компьютера в удобной для оператора форме (на мнемосхемах, индикаторах, сигнальных элементах, в виде текстовых сообщений и т. д.);

в) автоматический контроль за состоянием контролируемых параметров и генерация сигналов тревоги с выдачей сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона;

г) разработка и выполнение (автоматическое или по команде оператора) алгоритмов управления производственным процессом. Сложность алгоритмов не ограничена и может представлять собой любую комбинацию из математических, логических и других операций;

д) контроль за действиями оператора путем регистрации его в системе с помощью имени и пароля, и назначения ему определенных прав доступа, ограничивающих возможности оператора (если это необходимо) по управлению производственным процессом;

е) вывод (автоматически или по команде оператора) управляющих воздействий в промышленные контроллеры и исполнительные механизмы для регулировки непрерывных или дискретных процессов, а также подача сообщений персоналу на информационное табло и прочее;

ж) автоматическое ведение журнала событий, в котором регистрируется изменение производственных параметров с возможностью просмотра в графическом виде записанных данных, а также ведение журнала аварийных сообщений;

и) соблюдение регламента производственного процесса путем динамической загрузки (автоматически или по команде оператора) набора параметров из заготовленных шаблонов (рецептур) в технологическое оборудование;

к) контроль за качеством выпускаемой продукции путем статистической обработки регистрируемых параметров;

л) генерация отчетов и оперативных сводок.

Программный пакет InTouch состоит из двух основных компонентов - среды разработки и среды исполнения. В среде разработки создаются мнемосхемы, определяются и привязываются к аппаратным средствам входные и выходные сигналы и параметры, разрабатываются алгоритмы управления и назначаются права операторов. Созданное таким образом приложение функционирует в среде исполнения. Такое разграничение позволяет предотвратить несанкционированное изменение приложения, не определенное логикой его работы. Для того, чтобы приложение могло обмениваться данными с аппаратурой, необходимо использование третьего компонента - отдельной программы, называемой сервером ввода-вывода. Как правило, сервер ввода-вывода ориентирован на использование с конкретным видом оборудования, таким как промышленные контроллеры [23].

Основные отличия программного пакета InTouch по сравнению с другими программными продуктами:

а) простота использования и большие возможности для разработчика (любое число мнемосхем, неограниченная сложность алгоритмов и прочее);

б) использование стандартных протоколов обмена данными (DDE, OPC, TCP/IP и другие);

в) высокая скорость работы благодаря механизму, динамически регулирующему скорость опроса входных сигналов (опрос происходит только при изменении значения контролируемого параметра);

г) архитектура клиент-сервер для эффективной работы в сети. База данных ведется только на сервере, нет необходимости копировать ее на клиентские станции;

д) открытость - можно добавлять и использовать готовые компоненты других фирм вследствие поддержки технологий ActiveX и ОРС;

е) интеграция с другими программными пакетами фирмы Wonderware и простой обмен данными с распространенными программными пакетами для Windows - Microsoft Excel, Microsoft Access, Microsoft Visual Basic и другие;

ж) очень большое число готовых серверов ввода-вывода - более 600;

и) возможность создания библиотек алгоритмов;

к) многозадачный режим функционирования (многопоточное выполнение пользовательских алгоритмов);

л) автоматический контроль качества сигналов, поступающих с датчиков и контроллеров;

м) работа как сервис Windows NT/2000 - функционирование программы не нарушается процессом регистрации пользователя в операционной системе;

н) средства сетевой разработки - обновление приложений на рабочих станциях происходит автоматически путем копирования изменений со станции разработки;

п) распределенная система отслеживания и регистрации аварийных ситуаций одновременно поддерживает множество серверов («провайдеров») аварийных ситуаций, что дает возможность операторам видеть информацию об авариях во многих удаленных местах синхронно.

Преимущества использование InTouch:

а) минимизация косвенных расходов - сокращение стоимости обучения персонала, автоматическая генерация отчетов для руководящего состава и другие;

б) малые сроки внедрения благодаря простоте освоения и использования средств разработки;

в) гарантированное сопряжение с любыми аппаратными средствами, имеющимися на предприятии, благодаря большому числу имеющихся серверов ввода-вывода, использованию стандартных протоколов обмена и наличию средств разработки собственных драйверов. Ориентация на перспективные и популярные компьютерные стандарты и платформы (Windows NT, DCOM, ОРС, ActiveX и другие).

Рекомендуемые требования для работы программного пакета InTouch:

- компьютер с 1,2 ГГц или процессором с более высокой частотой;

- не менее 512 Мбайт оперативной памяти (рекомендуется иметь по 5Мб ОЗУ на каждые 5K тэгов);

- не менее 2 Гбайт свободного места на жестком диске [9].

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

3.5.4.1 Система защиты

Для операторского интерфейса предусмотрена многоуровневая система защиты от несанкционированного доступа к изменяемым параметрам системы. В таблице 3.7 приведены системы защиты и соответствующие функции.

Таблица 3.7 - Уровни системы защиты

Уровень приоритета	Категория пользователей	Функциональные возможности
А (1000...2000)	Оператор	-Отображение любого видеокадра -Квитирование аварийных сигналов -Включение/выключение оборудования -Задание уставок регулятора
В (больше 9000)	Системный инженер	-Функции «A» -Выход из Системы -Изменение исходных данных для датчиков, установка порогов сигнализации аналоговых параметров. -Установка кодов доступа (паролей)

Для регистрации пользователя требуется выполнить следующие действия:

а) вызвать панель доступа, изображенную на рисунке 3.8 путем выбора с помощью «мыши» пункта «РЕГИСТРАЦИЯ ДОСТУПА» в верхнем меню;

б) с помощью «мыши» нажать кнопку «Имя» и в появившемся окне ввода ввести имя;

в) с помощью «мыши» нажать кнопку «Пароль» и в появившемся окне ввода ввести пароль.



Рисунок 3.8 - Экран «Панель доступа»

После проведенных операций положение ключа будет показывать соответствующую категорию пользователя.

Системный инженер может изменять пароли пользователей, а также вводить новых пользователей или исключать их. Для этого ему необходимо вызвать панель доступа и включить опцию «Показать меню». После этого ему станет доступно меню среды выполнения приложения, с помощью которого он может конфигурировать пользователей.

При необходимости пользователь может изменить свой пароль, если вызовет на экран панель доступа и, нажав с помощью «мыши» кнопку «Изменить пароль», вызовет окно смены пароля, изображенное на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Окно смены пароля

В этом окне он должен набрать сначала свой старый пароль в поле «Old Password», затем в поле «New Password» ввести новый пароль и подтвердить новый пароль, повторив его ввод в поле «Verify New Password». После всех произведенных действий оператор должен нажать с помощью «мыши» кнопку «Ок».

При необходимости пользователь может снять доступ, перейдя на уровень приоритета А. Для этого нужно нажать с помощью «мыши» кнопку «Снять доступ» на панели доступа.

3.5.4.2 Общие сведения о мнемосхемах процесса

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:

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

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

Обозначение позиций параметров на мнемосхемах.

Первая буква обозначает вид измеряемого параметра:

а) T - температура;

б) P - давление;

в) F - расход.

Обозначение порядкового номера позиции параметра произведено согласно функциональной схеме.

На каждом видеокадре в нижней части экрана имеется меню, позволяющее перейти к просмотру экранов отчетов, графиков, сигнализации и производить квитирование аварийных сигналов.

В верхней части экрана имеется меню, позволяющее перейти на нужную мнемосхему и к просмотру экрана парольной защиты.

По уровню доступа оператору доступен просмотр конфигурационных таблиц аналоговых параметров. Для этого необходимо навести курсор «мыши» на позицию аналогового параметра на мнемосхеме и нажать левую клавишу «мыши».

По степени детализации отображения информации операторский интерфейс включает детальные мнемосхемы каждой из печей отдельно.

Для управления работой печи поверх детальных мнемосхем может открываться ряд окон (например, окно управления задвижкой, окно управления дутьевым вентилятором, окно управления регулирующим клапаном).

Для удобства представления информации и обеспечения более быстрого перехода с одного технологического участка на другой, поле экрана разделено на три зоны:

а) верхняя зона предназначена для выбора узла (детальной мнемосхемы) и перехода к просмотру экрана парольной защиты, здесь также отображается имя пользователя, текущие дата и время;

б) средняя, большая часть экрана, предназначена для отображения мнемосхем и специальных окон (например, окно регулятора);

в) нижняя зона предназначена для перехода на экраны сигнализации, графиков и отчетов и квитирования аварийных сигналов.

На рисунке 3.10 изображена мнемосхема «печь № 2».



Рисунок 3.10 - Мнемосхема «печь № 2»

В нижней зоне экрана расположены кнопки перехода на экраны аварийной сигнализации, графиков, генерации отчетов (таблицы) и квитирования аварийных сигналов. При «нажатии» кнопки «Сигнализация» на экран выводится журнал сигнализации. В журнале фиксируются: время появления сигнала, тип сигнализации, текстовое сообщение, наименование (позиция) сигнала, группа, к которой относится данный сигнал (название объекта), значение и уставка. Журнал сигнализации может быть распечатан по запросу оператора.

При “нажатии” кнопки “Графики” на экран выводится меню групп графиков по всем печам. Выбирая в меню группу графиков, оператор получит на экране графическую информацию об изменении соответствующих аналоговых параметров. Масштаб выводимого на экран графика и шаг сдвига оператор может изменить.

При нажатии кнопки «Отчеты» на экран выводится меню отчетов, в котором оператор выбирает нужный отчет.

3.5.4.3 Управление исполнительными устройствами

Электроустановки АСУ ПТБ имеют три режима работы:

а) АВТОМАТ - автоматическое управление;

б) ДИСТАНЦИОННЫЙ - управляются дистанционно из операторского интерфейса, используя, манипулятор «мышь»;

в) МЕСТНЫЙ - управление с помощью органов местного управления.

Наличие режимов АВТОМАТ и МЕСТНЫЙ зависит от конкретной электроустановки и ее назначения.

Перевод в нужный режим управления производится средствами операторского интерфейса с панели управления конкретной электроустановкой, либо при блокировке агрегата происходит автоматический перевод его в режим дистанционного или местного управления. Панели управления агрегатами на мнемосхемах вызываются путем нажатия «мышью» на изображение агрегата, либо постоянно находятся на конкретной мнемосхеме, предназначенной для отображения состояния и управления этим агрегатом. Рядом с изображением каждой электроустановки имеется значок с буквой, показывающей, в каком режиме управления находится установка:

а) A - автоматический режим;

б) Д - дистанционный режим;

в) М - режим местного управления.

Перевод агрегата в нужный режим управления осуществляется с помощью кнопок «МЕСТ», «ДИСТ», «АВТ», расположенных на панели управления соответствующей электроустановкой. Для того чтобы перейти на нужный режим управления, необходимо поместить курсор «мыши» на соответствующую кнопку и нажать левую клавишу «мыши».

Управление электроприводными задвижками.

Оператор может управлять состоянием электроприводных задвижек с мнемосхемы соответствующей печи.



Рисунок 3.7 - Панель управления задвижкой

Для управления состоянием электроприводных задвижек необходимо навести курсор на изображение соответствующей задвижки, и нажать левую кнопку “мыши”. На экране появится панель управления задвижкой, как изображено на рисунке 3.7.

Чтобы скрыть панель управления нужно «щелкнуть» левой клавишей мыши по кнопке «выход» на панели управления.

Дистанционное управление задвижкой возможно при нажатии с помощью «мыши» соответствующей кнопки изменения состояния задвижки. Управление задвижкой осуществляется с помощью кнопок «ОТКРЫТЬ», «ЗАКРЫТЬ».

Управление вентиляторами.

Управление вентилятором осуществляется с панели «Загазованность».

Для пуска или останова вентилятора в режиме дистанционного управления на мнемосхеме имеются кнопки «ПУСК», «СТОП», как показано на рисунке 3.11. Чтобы пустить или остановить вентилятор, необходимо, навести курсор мыши на нужную кнопку, и нажать левую клавишу мыши.



Рисунок 3.11 - Панель управления вентилятором ГПР

Управление дутьевым вентилятором происходит аналогичным образом, он изображен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Панель управления дутьевым вентилятором

Управление регулирующим затвором.

Необходимо особо выделить режим местного управления для заслонки управляемой МЭО. Оператор имеет возможность изменять положение заслонки по месту, только если она находится в режиме местного управления.

Режимы автоматического управления исполнительными устройствами можно разделить на два типа:

а) автоматическое регулирование;

б) логическое управление.

Автоматическое регулирование основано на пропорционально - интегральном алгоритме по изменяющейся переменной процесса - аналоговому параметру.

Логическое управление ведется по дискретному параметру, и управляющее воздействие на клапан выражается в командах на открытие или на закрытие. Соответственно в зависимости от режима автоматического управления панель управления клапаном отображаются уставка и переменная процесса или нет.

Панель управления газовой заслонкой показана на рисунке 3.13.

Оператор средствами операторского интерфейса имеет возможность, менять режимы работы, дистанционно управлять агрегатами. Панель управления вызывается «щелчком мыши» по его изображению на мнемосхеме.

Далее на панелях размещены цифровые и столбчатые индикаторы. Индикатор «CV» показывает требуемое регулятором или вводимое оператором задание для исполнительного органа, индикатор «S» - его действительное состояние. На этой же панели индицируется переменная процесса «PV» и уставка «SP». Перевести клапан в нужный режим управления можно путем нажатия с помощью «мыши» соответствующей кнопки «МЕСТ», «ДИСТ», «АВТ». При переводе исполнительного устройства в нужный режим соответствующая кнопка визуально утапливается, надпись на кнопке и кнопка меняет цвет.

Требуемое положение клапана «CV» и уставку «SP» можно задать, поместив курсор «мыши» на соответствующее поле индикации и нажав левую клавишу «мыши». Ввести новое значение задания для исполнительного устройства можно так же с помощью кнопок пошагового увеличения и уменьшения задания, нажав с помощью «мыши» на требуемую кнопку (шаг изменения задания - 5%).



Рисунок 3.13 - Панель управления регулирующим затвором

3.5.4.4 Сигнализация отклонений параметров от нормы и изменений в работе оборудования

Аварийная сигнализация вызывается:

а) выходом аналогового значения за пределы уставок;

б) недопустимым значением дискретного сигнала;

в) сбоем в работе полевого оборудования.

Сигнализация отклонений параметра от установленных пределов осуществляется:

а) изменением цвета параметра на экране;

б) появлением мигающей надписи «Внимание» в левом нижнем углу экрана;

в) записью в файл, выводом сообщения на экран сигнализации с указанием времени, даты, типа события, типа сигнализации, сообщения, значения (состояния сигнала).

Стандартные цвета сигнализации:

а) желтый - предупредительный;

б) красный - аварийный.

Для того чтобы подтвердить (квитировать) сигнализацию, необходимо перейти в экран текущих сигнализаций и с помощью «мыши» нажать кнопку «Подтверждение». После этого мигание параметров прекращается, снимается звуковой сигнал.

Цветовая индикация сигнализации на мнемосхеме и строка записи на экране текущих сигнализаций остаются до тех пор, пока значение сигнала не войдет в норму.

Станция оператора регистрирует все происходящие события (изменения состояния агрегатов, системные события, аварийные и предупредительные сигнализации).

В таблице 3.14 приведены типы сигнализаций.

Таблица 3.14 - Типы сигнализаций

Тип сигнализации	Описание
DISC	Сигнализация дискретного параметра
HIHI	Превышение верхнего аварийного уровня
LOLO	Ниже нижнего аварийного уровня
RATE	Превышение скорости изменения значения параметра с момента последнего опроса
HI	Превышение верхнего предупредительного уровня
LO	Ниже нижнего предупредительного уровня
ASK	Подтверждается (квитируется) сигнализация
RTN	Условия сигнализации возвращаются к нормальным
ALM	Возникла сигнализация
EVT	Произошло событие

Кроме сигнализаций на экран сигнализации выводятся события. Под событиями понимаются действия оператора, изменения в состоянии полевого оборудования, операторской станции. Можно выбрать для просмотра на экране события и сигнализации, относящиеся к определенным группам оборудования.

На экране истории сигнализации фиксируется дата, время появления сигнала, событие, тип сигнализации, сообщение, значение.

Цвет строки записи сигнализации на экране истории сигнализации соответствует статусу сигнализации:

а) КРАСНЫЙ - неподтвержденная сигнализация;

б) ЖЕЛТЫЙ - подтвержденная сигнализация;

в) ЗЕЛЕНЫЙ - условия возникновения сигнализации возвращены к нормальным.

Строка записи событий на экране истории сигнализации окрашена в СИНИЙ цвет.

Задание уставок сигнализаций для аналоговых параметров доступно пользователю с уровнем доступа B. Оператор может только просмотреть конфигурационную панель аналогового параметра, вызвав ее с помощью «мыши» щелкнув по позиции аналогового параметра на мнемосхеме.

3.5.4.5 Конфигурирование изменяемых параметров системы

По уровню доступа системному инженеру доступно конфигурирование изменяемых параметров системы:

а) задание уставок сигнализаций аналоговых параметров;

б) конфигурирование аналогового параметра (пределы шкалы, единицы измерения);

в) ввод в систему новых пользователей, назначение им паролей и уровней доступа;

г) задание уставок сигнализации, изменение пределов шкалы, изменение единиц измерения.

Изменение уставок сигнализации, а также включение и выключение сигнализации для аналоговых параметров возможно при вызове конфигурационной панели аналогового параметра изображенной на рисунке 3.14.



Рисунок 3.14 - Конфигурационная панель аналогового параметра

Чтобы изменить уставку, нужно навести курсор «мыши» на поле с индикацией текущей вставки и, нажав левую клавишу «мыши» вызвать поле ввода, затем с помощью клавиатуры набрать новое значение и нажать кнопку «Enter».

Аналогичным образом можно ввести пределы шкалы измерения.

Для записи изменений необходимо нажать кнопку «Выход» на панели аналогового параметра. После этого панель аналогового параметра исчезнет с экрана.

3.5.4.6 Окно текущих сигнализаций

В окне текущих сигнализаций отображаются действующие в данный момент аварии: красным и желтым цветами неподтвержденные и подтвержденные оператором соответственно (тип сигнализации смотри в таблице 3.14), а также кнопки подтверждения аварий и кнопка перехода на экран «История сигнализации», экран «текущие сигнализации» показано на рисунке 3.15.



Рисунок 3.15 - Экран «Текущие сигнализации»

На рисунке 3.16 изображен экран «ИСТОРИЯ СИГНАЛИЗАЦИИ». На этом экране отображаются все сигнализации, аварии и события. В этом окне можно вывести список сигнализации отсортированных по желаемому условию: по дате (число, месяц, год), по времени (00.00 - 24.00), по приоритету (1-999), по группе принадлежности сигнала (Pech1…Pech5 - сигнализации конкретной печи).

Переход по списку сигнализаций вверх, вниз осуществляется кнопками со стрелками справа от списка.

Рисунок 3.16 - Окно «История сигнализации»

3.5.4.7 Просмотр графиков

При нажатии закладки «Графики» в верхнем меню открывается экран просмотра графиков, показанный на рисунке 3.17.

Слева от поля графиков отображается шкала выбранного параметра, сверху описание параметра, справа для каждого из восьми графиков отображаются позиция параметра, единица измерения, значения параметра в точке пересечения с левым и правым бегунками. Выбрать нужный параметр оператор может нажатием справа на позицию, либо слева на шкалу, либо сверху на описание параметра. Цвет шкалы соответствует цвету графика, выводимого параметра.

Снизу под полем графиков расположены кнопки изменения ширины графиков. Чтобы изменить ширину графиков, необходимо выбрать единицу изменения и нажать на кнопки сдвига. С помощью бегунков можно определить, какое значение у параметра было в определенное время.

Рисунок 3.17 - Экран просмотра графиков

Основные элементы экрана «Графики»:

а) 1 - обновить поле графиков до текущего момента;

б) 2 - время и кнопки сдвига правой границы поля графиков;

в) 3 - время и кнопки сдвига левой границы поля графиков;

г) 4 - уменьшить график (увеличить ширину поля графиков в 2 раза);

д) 5 увеличить график между бегунками;

е) 6 - кнопки перемещения левого и правого бегунков вправо/влево;

ж) 7 - значение временного промежутка между бегунками;

з) 8 - левый бегунок (время в точке пересечения с графиком);

и) 9 - правый бегунок (время в точке пересечения с графиком);

к) 10 - кнопки сдвига и единицы измерения границ поля графиков при каждом нажатии кнопок сдвига.

3.5.5 Описание протоколов обмена InTouch с модулями ввода/вывода

Для обмена данными между микропроцессорными модулями ввода/вывода используется протокол ОРС (OLE for Process Control). Программное средство InTouch на прямую не использует протокол ОРС. InTouch для связи с внешними устройствами предоставляет два интерфейса: DDE (NetDDE - сетевая версия протокола DDE) и SuiteLink. SuiteLink -- протокол основанный на базе протокола TCP/IP, который расширяет функции стандартного протокола TCP/IP. Применение протокола SuiteLink позволяет обеспечить надежную совместимость с другими компонентами фирмы Wonderware. Для опроса микропроцессорных модулей ввода/вывода используется сервер ввода/вывода, поставляемый с микроконтроллерами. Для того, чтобы обеспечить стыковку сервера ввода/вывода с приложением InTouch фирма WonderWare предлагает использование вспомогательного приложения - SuiteLink, который обеспечивает стыковку используемых протоколов.

ОРС Server по запросу SuiteLink производит опрос микропроцессорных модулей. SuiteLink по запросу приложения InTouch предоставляет данные запросившему приложению. Таким образом, применение логически законченных уровней в программном обеспечении позволяет повысить надежность системы - в случае отказа какой-либо части программного обеспечения можно будет быстро определить узел отказа, возможную причину.

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:

а) среднее время безотказной работы;

б) показатель интенсивности отказов;

в) коэффициент готовности системы;

г) коэффициент надежности;

д) 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:

а) нормальном;

б) аварийном;

в) послеаварийном.

Нерабочее состояние включает в себя состояние:

а) предупредительного ремонта;

б) аварийного ремонта;

в) аварийного простоя;

г) 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:

а) информационная;

б) управляющая;

в) 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:

а) 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;

б) 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:

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

б) 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.

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.

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