Громаков Е.И., Лиепиньш А.В.

Г43 Интегрированные компьютерные системы проектирования и управления: учебное пособие / Е.И. Громаков; А.В. Лиепиньш; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013.– 222 с.

ISBN

 

В учебном пособии изложены методические рекомендации по проектированию компьютерных интегрированных систем управления. Рассмотрены основные понятия, структура, классификация, методология разработки интегрированных компьютерных систем управления производством нефтегазовой отрасли.

Пособие подготовлено на кафедре Интегрированных компьютерных систем управления и предназначено для студентов направления 220700 (магистры), 220301 (инженеры) «Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)» дневной и заочной форм обучения.

 

УДК 658.512.2011.56 (075.8)

ББК 32.965я73

Г 43

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, зав кафедрой автоматики и компьютерных систем ИК Томского политехнического университета

Г.П.Цапко

Кандидат технических наук, доцент кафедры электронных средств автоматики и управления ФГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

А.Е. Карелин

Кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники ФГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

А.В. Тырышкин

 

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013

© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013

Учебное издание

 

 

ГРОМАКОВ Евгений Иванович

Лиепиньш Андрей Вилнисович

 

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

 

Учебное пособие

 

Научный редактор доктор технических наук

профессор В,И,Гончаров

 

Корректура

Компьютерная верстка

Дизайн обложки

 

 

 

 

Подписано к печати 00.00.2013. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 9,01. Уч.-изд. л. 8,16. Заказ 000-13. Тираж 100 экз.
	Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Цель и задачи пособия. 1

Введение. 2

1. Концептуальные проектные решения интегрированных компьютерных систем управления технологией и производством. 8

1.1. Концептуальные проектные решения интеграции автоматизированных систем 8

1.2. Выбор архитектуры ИКСУ.. 16

1.3. Выбор программных средств ас, поддерживающих профиль архитектуры ИСПУ 30

1.4. Выбор методологии проектирования АС.. 39

1.5. Автоматизация управления проектами. 45

1.6. Разработка концептуальной структуры интегрированной компьютерной системы управления. 58

2. Разработка технического задания ИКСУ.. 63

2.1. Разработка общего ИКСУ.. 63

2.2. Общие требования к подсистемам иксу вертикального типа (вариант 1. Требования к автоматизированной системе управления производством) 64

2.3. Требования к отдельным подсистемам ИКСУ вертикального типа. 66

2.4. Требования к подсистемам иксу горизонтального типа (вариант 2. Требования к автоматизированной подсистеме управления технологической безопасностью) 72

3. Проектирование автоматизированной системы управления учетными операциями производственных процессов. 80

3.1 описание бизнес- процессов как объектов управления АСУПД.. 80

3.2. Проектирование электронной модели деятельности предприятия с использованием case-средств. 90

3.3. Проектные решения по АСКУЭ.. 100

4. Проектирование компьютерной системы управления техническим обслуживанием и ремонтом. 111

4.1. Регламентирование технического обслуживания оборудования по его фактическому состоянию.. 111

4.2. Особенности применения карт Шухарта для анализа технического состояния оборудования. 116

4.3. Проектирование автоматизированной системы ТОиР. 123

5. Проектирование приборной системы противоаварийной защиты.. 141

5.1. Мэк-проектирование интегрированной системы безопасности (ПАЗ) 141

5.2. Проектирование ПАЗ. 155

5.3 Проектные решения по разделу «Автоматизированная система пожарной сигнализации». 175

5.4. Проектирование автоматизированной системы АСКУЗ. 194

Заключение. 209

Список литературы.. 211

Указатель сокращений и глоссарий. 214

 

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПОСОБИЯ

Учебным планом подготовки студентов по направлению 220700 -магистры (220301- инженеры) «Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)» дневной и заочной форм обучения, предусмотрено выполнение проектных работ по дисциплине «Интегрированные системы проектирования и управления». Примерная рабочая программа устанавливает следующие результаты обучения по этой дисциплине:

1. Уметь применять глубокие естественно-научные и математические знания для решения научных и инженерных задач в области анализа, синтеза, проектирования, производства и эксплуатации систем автоматизации технологических процессов и производств

2. Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать научно-техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области теории, проектирования, производства и эксплуатации интегрированных систем автоматизации технологических процессов и производств.

3. Применять полученные знания для решения инновационных инженерных задач при разработке, производстве и эксплуатации современных систем автоматизации технологических процессов и производств (в том числе интеллектуальных) с использованием передовых научно-технических знаний и достижений мирового уровня, современных инструментальных и программных средств, обеспечивающих конкурентные преимущества этих систем в условиях жестких экономических, социальных и других ограничений.

4. Демонстрировать работодателям свои конкурентные компетенции, связанные с современными методологиями и видами инновационной инженерной деятельности в области автоматизации технологических процессов и производств.

5. Использовать международный опыт проектного, технологического менеджмента и управления бизнес-процессами для ведения инновационной инженерной деятельности в области автоматизации технологических процессов и производств.

 

ВВЕДЕНИЕ

Перечень требований нефтегазовой отрасли к системам компьютерного управления деятельностью ее предприятий постоянно расширяется, число подсистем автоматизированного управления непрерывно увеличивается, реализуется процесс интеграции информационных систем управления.

Сегодня руководству нефтегазового предприятия уже недостаточно одной автоматизированной системы (АС) управления технологическим процессом, отвечающий требованиям стандарта ГОСТ 34.602-89. Ему нужны дополнительные гарантии оперативного автоматизированного управления производством (MES), гарантии повышения эффективности энергопотребления основным технологическим оборудованием, эффективного компьютерного управления техническим обслуживанием и ремонтом основного оборудования, информационная поддержка жизненного цикла продукции на базе CALS-технологий.

Миссией (главной стратегической целью) интегрированных компьютерных систем управления (ИКСУ) становится создание и использование всеобъемлющей информации о деятельности предприятия, обеспечивающей эффективное управление его ресурсами для достижения установленных стратегических целей.

Видением интегрированных компьютерных систем управления в зарубежной практике нефтегазовых добывающих производств является Цифровое Нефтяное Месторождение, Digital Oil Field (DOF), цифровая технология, позволяющая операторам, партнерам и сервисным компаниям нефтегазового бизнеса использовать преимущества интегрированных цифровых данных и знаний управления, улучшенных аналитических инструментов, систем реального времени полевого уровня технологических процессов, и более эффективных бизнес-процессов в своей деятельности

Внедрение современных интегрированных компьютерных систем управления формирует у бизнеса ожидание синергетического эффекта в производственной деятельности, вызванного внедрением информационных технологий.

Синергетика — это междисциплинарное научное направление, целью которого является использование универсальных закономерностей самоорганизации, свойственных сложным системам разной природы, в том числе, системам автоматизированного управления.

Синергетический эффект (синергизм) автоматизированного управления проявляется в качестве и объемах создаваемых АС информации, в использовании согласованных управленческих воздействий через посредство взаимно-обеспечивающих информационных связей и усиления эффективности управляющих механизмов [39].

Эффект синергии можно представить, в частности, как превышение потенциала интегрированной системы по сравнению с суммой потенциалов отдельных подсистем (управляющих кластеров), входящих в нее.

Ожидания бизнеса по повышению эффективности производства основываются на таких свойствах ИКСУ, как централизованное объединение функционально неоднородной информации, ее согласованное использование в различных программных средствах проектирования и управления, непрерывный рост компьютеризации отдельных информационно-управленческих кластеров, в частности, противоаварийной защиты, технического обслуживания и ремонта, оперативного учета потребляемой энергии, автоматизированного управления производственной деятельностью и др.

Функциональная неоднородность ИКСУ в нефтегазовой отрасли (НГО) вызвана особенностями инфраструктуры предприятий, разнообразием нормативных требований отдельных компаний и ведомств (Роснефть, Газпром, МЧС, МПРиЭ, Ростехнадзор и др.), функциональными различиями отдельных подсистем управления. Этим можно объяснить использование в НГО большого числа автономных автоматизированных систем, замкнутых на решение отдельных конкретных задач этих ведомств.

Централизация управления распределенными технологическими и производственными структурами обеспечивает надежную синхронизацию информации, создаваемой отдельными подсистемами АС, с единым корпоративным информационным центром, что позволяет обеспечить актуальность и целостность информации у получателя. Это означает, что все данные, требуемые для решения производственных задач, включая технологическую информацию и информацию, касающуюся его безопасности, согласованно доставляются в корпоративную базу данных и распределяются между всеми специалистами предприятия в объемах достаточных для решения как задач проектирования, так и задач управления.

Компьютеризация (степень совместного использования цифровых средств сбора и обработки информации)информационных кластеров на многих технологических площадках НГО характеризуется невысоким уровнем их оснащения вычислительнойтехникой.

Совместное, целенаправленное, согласованное компьютеризированное управление посредством АС, создает единую интегрированную среду управления, подчиненную общей задаче эффективного управления производством на технологических площадках нефтегазовой отрасли.

С использованием информационной компьютерной интеграции отдельных технологических установок и производственных процессов подразделений НГО, их систем сбора данных достигаются реальные синергетические эффекты управления.

Методология дисциплины «Интегрированные системы проектирования и управления» выделяет следующие АС ИКСУ:

· автоматизированная система проектирования и управления (SCADA) технологическим процессом (АСУТП);

· автоматизированная система проектирования технологии и процессов производства (CAD, CAE, CASE);

· автоматизированная система управления производственной деятельностью (процессом) (АСУПД, MES);

· автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ).

· автоматизированная система управления технического обслуживанием и ремонтом основного оборудовании (АС ТОиР, EAM);

· автоматизированная (автоматическая) система управления противоаварийной защиты (SIS, ПАЗ);

· автоматизированная (автоматическая) система пожарной сигнализации (АСПС);

· автоматизированная система контроля уровня загазованности(АСКУЗ).

CASE (Computer Aided System Engineering) это компьютеризированные средства анализа производственных структур и проектирования автоматизированной деятельности на предприятии. В узком смысле CASE-средства – это инструменты визуального моделирования, а в широком – средства, автоматизирующие процессы жизненного цикла управления производством. Это средства коллективного выполнения проектных работ по автоматизации деятельности предприятия, обеспечивающие эффективные коммуникации участников проекта на разных этапах и с разных позиций (как между командами предприятия и интегратора, так и внутри рабочей группы).

Визуальные составляющие CASE-инструментов формируют общий язык для всех участников проекта автоматизации производственных процессов, обеспечивающий возможность задавать различные атрибуты производственной деятельности с помощью общей терминологии, общих графических изображений (нотаций) бизнес-операций. Современные CASE-средства охватывают обширную область поддержки многочисленных технологий проектирования ИКСУ: от простых инструментов анализа и документирования до полномасштабных средств автоматизации, покрывающих управление всем жизненным циклом продукции предприятия.

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)– это, прежде всего, инструмент управления технологическими процессами. Но этот программный комплекс обеспечивает также автоматизацию проектирования диспетчерских систем управления.

Современные SCADA-системы поддерживают их эффективную эксплуатацию, как в ручном режиме управления, так и в автоматическом и обеспечивают возможность оперативной модернизации автоматизации технологических процессов.

В настоящем пособии принято считать, что SCADA-системы состоят из четырех основных системных компонентов: графического редактора проектирования экранных форм управления технологическим процессом и связи их с информационными и управляющими каналами АСУТП, удаленного терминала (где в режиме реального времени обрабатываются задачи), главного терминала (диспетчерского пульта управления) и коммуникационных каналов связи.

Автоматизированные системы управления производственной деятельностью (АСУПД) – это исполнительные системы производства, которые в западной литературе носят название MES (Manufacturing Execution System). Системы этого класса решают задачи синхронизации операционных (производственных) процессов, координируют, анализируют и оптимизируют производственный процесс и его продукцию. MES – это интегрированная информационно-вычислительная система, объединяющая инструменты и методы управления производством в реальном времени.

ПАЗ, SIS – это система противоаварийной защиты оборудования, персонала и окружающей среды при отказах АСУТП, технологического оборудования, либо ошибочных действиях персонала, базирующаяся на средствах и элементах КИПиА, вычислительной техники и управляемых ими исполнительных устройствах.

АСПС – это система автоматической пожарной сигнализации и управления персоналом, предназначенная для автоматического обнаружения и извещения о возникновении очага пожара.

АСКУЗ – автоматизированная система контроля уровня загазованности. Она предназначена для обеспечения безопасности объектов промышленного нефте- и газо-пользования. Система АСКУЗ обеспечивает получение, индикацию, хранение и активизацию исполнительных устройств (сирен, запорных клапанов, вентиляторов и др.), которые обеспечивают остановку работы источников опасностей для здоровья и технологического оборудования и перевод их в безопасное состояние при превышении предусмотренных регламентом предельно допустимых значений концентраций горючих газов взрыва, распространения пламени и их концентраций критичных для здоровья работников.

АС ТОиР (ЕАМ) – это специализированные системы, которые позволяют автоматизировать процесс технического обслуживания и ремонта технологического оборудования предприятия.

АСКУЭ – это комплекс контрольно-измерительной аппаратуры, коммуникаций связи (сетей передачи данных), компьютерного и программного обеспечения.

В западной терминологии наиболее близкой к термину "АСКУЭ" является, широко используемая аббревиатура AMR – Automatic Meter Reading (автоматическое чтение счетчиков и не только электрических), и термину "автоматизация энергоучета" – automation of powermetering (of energymetering) или automation of metering of energy carrier (автоматизация измерения энергоносителей).

По своей сути задача АСКУЭ состоит в точном измерении количества потребленной или переданной энергии в широком смысле этого слова и мощности (с учетом суточных, зонных или других тарифов), в обеспечении возможности хранения этих измерений (например, в течение месяца, года и т.д.) и доступа к этим данным для произведения расчетов с поставщиком/потребителем.

Важной составляющей этих систем является поддержка задач анализа потребления (передачи) энергии и мощности с использованием информационных технологий. Анализ режимов потребления позволяет обнаружить просчеты в организации работы предприятия с точки зрения потребления энергии и осуществить мероприятия по ее снижению.

Информационное и интерфейсное объединение перечисленных выше систем и составляет, в конечном счете, интегрированную систему проектирования и управления на предприятиях нефтегазовой отрасли.

В результате достигаются следующие позитивы интегрированной автоматизации нефтегазовых производств:

1. Проектные решения всех информационных систем на предприятии базируются на одной программно-технической платформе.

2. Обеспечивается информированность исполнительных служб и временная синхронизация информации, необходимой для принятия решений.

3. Осуществляется снижение рисков управления и повышение безопасности технологического процесса.

4. Реализуется интегрированный инжиниринг, объединяющий администрирование всех без исключения систем автоматизации.

5. Реализуется современная цифровая архитектура предприятия, обеспечивающая эффективное управление производственной деятельностью.

Контрольные вопросы

1. Что такое синергетика»?

2. Почему предприятия заинтересованы в интегрированных компьютерных системах управления?

3. В чем заключается особенность централизованного управления в ИКСУ?

4. Чем объясняется функциональная неоднородность ИКСУ?

5. Какие системные свойства положены в ИКСУ?