Проектирование. Требования и исходные материалы по созданию АСУ ТП

Источник: Нестеров А.Л. Проектирование АСУ ТП. Методическое пособие. Книга 1.

1. Цели требований к системе.

  Требование - это условие или возможность, которой должна соответствовать система.

Изложение требований к АСУТП преследует следующие цели:

• добиться одинакового понимания Заказчиком, пользователем и разработчиком того, что должна делать система;
• предоставить разработчиками системы наилучшее понимание требований к системе;
• определить граничные условия системы;
• определить интерфейс пользователей и объекта управления с системой;
• обеспечить базу для планирования работ по созданию системы.

2. Категории требований FURPS+

  Категории главных требований определяют по так называемой модели FURPS+:
Functionality - функциональность;
Usability - применимость;
Reliability - надежность;
Perfomance - производительность;
Supportability -пригодность к эксплуатации;
"+" - указывает на необходимость учитывать дополнительные требования:

• проектные ограничения;
• требования выполнения;
• требования к интерфейсу;
• физические требования.

3. Функциональность

  Функциональные требования охватывают свойства и возможности системы и ее безопасность.

  Функциональные требования определяются сложившейся или проектируемой технологией объекта управления.

  В  функциональных требованиях отражаются:

• сбор, первичная обработка, распределение и формирование массивов информации, получаемой от датчиков технологических и энергетических параметров в виде аналоговых, дискретных и цифровых сигналов, включая прием-передачу информации от других АСУТП, от автономных комплексов управления;
• представление информации и взаимодействие пользователей с программно-техническим комплексом (оператор-технолог, обслуживающий персонал комплекса);
• дистанционное управление приводами оборудования и исполнительных механизмов задвижек и регулирующих органов, высоковольтных выключателей, разъединителей и т.п.;
• автоматическое, программное регулирование и управление, технологические блокировки, защиты и защитные блокировки, реализующие соответствующие алгоритмы управления;
• информационно-вычислительные свойства, реализующие алгоритмы расчетных функций, накопления, усреднения, архивации информации и др.;
• обмен информацией с вышестоящим уровнем управления предприятия;
• самоконтроль и самодиагностика аппаратных и программных средств, сбор и обработка информации по технической диагностике;
• реализация алгоритмов сервисных функций.

4. Безопасность

  К функциональным требованиям АСУТП относятся также требования к безопасности, которые являются приоритетными по отношению к другим требованиям.

  Систему следует проектировать таким образом, чтобы ошибочные действия оперативного персонала или отказы технических и программных средств  не приводили к аварийной ситуации, не допускали ситуацию, опасную для здоровья и жизни людей.

  Электротехнические изделия, используемые в системе, применяются по ГОСТ 12.2.007.0-75, а средства вычислительной техники - по ГОСТ 25861 - 83, и имеют класс 1 защиты человека от поражения электрическим током.

  Все внешние элементы технических средств  системы, находящиеся под напряжением, защищаются от случайного прикосновения и заземляются или зануляются по ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ, издание 7.

  Размещение технических устройств во взрыво- и пожароопасных установках проектируются в соответствии с требованиями ПУЭ, 6 издание.

  Операторские, инженерные станции, мониторы персональных компьютеров применяются с соответствующими гигиеническими сертификатами по СанПиН и с соблюдением стандартов по электрической, механической и пожарной безопасности (ГОСТ Р 50377-92), уровню создаваемых радиополей (ГОСТ Р 51318.22-99), уровню электростатических полей (ГОСТ 12.1.045-84), работоспособности в условиях электромагнитных помех (ГОСТ Р 50628-2000), уровню вибрации (ГОСТ 12.1.012-90).

  Комфортные условия нахождения персонала соответствуют действующим стандартным нормам по ГОСТ 12.1.005-88, ГОСТ 12.0.003-74.

  Требования безопасности устанавливаются специальным разделом должностных инструкций, инструкций по эксплуатации АСУТП и др.

5. Применимость

  Применимость характеризуется удобством и безопасностью работы оперативного и обслуживающего персонала.

  Для оперативного персонала следует организовать одно или несколько рабочих мест оператора. Рабочее место оператора необходимо разместить в специально подготовленном помещении с постоянным присутствием оперативного персонала.

  Рабочее место оператора содержит одну или несколько рабочих (операторских) станций и серверов, которые предназначены для:

• представления, хранения и обработки технологической информации;
• выполнения функций и задач расчетного характера;
• реализации общесистемных функций (службы единого времени, мониторинг технических и программных средств АСУТП и т.п.);
• организации человеко-машинного интерфейса, и др.

  Кроме рабочей станции оператора, могут создаваться автоматизированные рабочие места для обслуживающего и эксплуатационного персонала автоматизированного технологического комплекса АТМ - инженерная, архивная, событийная или сигнальная, расчетная и др. станции.

  В составе инженерной или операторской станции предусматриваются инструментальные средства для проектирования и коррекции различных задач АСУТП, включая задачи расчетного характера, а также средства создания и хранения базы нормативно-справочной информации:

• исходные нормативно-справочные документы по программно-техническим средствам и АСУ ТП в целом;
• исходные нормативно-справочные документы по технологическому, электротехническому, вентиляционному и другому оборудованию и его эксплуатации;
• различные справочные таблицы технологического, электротехнического и т.п. назначения.

  В состав рабочей станции/станций входят принтер для получения печатных копий видеоэкранов, протоколов, отчетов, таблиц и т.п., а также сканер для ввода в систему различных печатных и графических документов.

  Для возможности нормальной эксплуатации АСУТП следует создать пакет эксплуатационных документов по ГОСТ 27 300-87, ГОСТ 19.507-79 и СНиП 3.05.07-85.

  Конкретные требования по удобству и безопасности работы персонала приводятся в требованиях к организационному ОО, информационному ИО, техническому ТО, математическому МО, программному ПО видами обеспечения.

6. Надежность

  Программно-технический комплекс АСУТП в части требований по надежности соответствует ГОСТ 4.148-85, ГОСТ 24.701-86 и ГОСТ 27.003-90.

  Он создается как восстанавливаемая и ремонтно-пригодная система, рассчитанная на длительное функционирование, обусловленное функционированием технологического и электротехнического оборудования и технологического процесса.

  Показателями аппаратной надежности отдельных подсистем являются средняя наработка на отказ и ложное срабатывание, а также средняя продолжительность восстановления аппаратуры конкретной подсистемы.
  В целом АСУТП создается с требуемыми показателями надежности, готовности и живучести.

7. Производительность

  В категорию требований "производительность" включают показатели быстродействия, времени отклика, точности и достоверности информации.
  Быстродействие, время отклика, обновления информации и ее регистрации определяют, в основном доступность информации на данный момент времени.
  На достоверность же информации, кроме доступности ее, влияют:

• диагностирование исправности устройств, входящих в канал прохождения информации (датчик, гальванический разделитель, соединительная линия, модуль ввода/вывода, аналого-цифровой преобразователь и т.п.);
• проверка возможной и допустимой скорости изменения значения параметра;
• выявление недопустимых сочетаний логически связанных сигналов (дискретных, аналоговых);
• точность регистрации процессов и событий и записи данных в архив;
• погрешность канала измерения;
• погрешность отображения параметров в цифровом виде - 4 значащих цифры, в графической форме - одна растровая строка экрана, что обеспечит "читаемость" результатов;
• погрешность задания коэффициентов, установки значений констант, установок сигнализации (аварийной и предупредительной) - не более 0,2% от диапазона изменения параметра;
• погрешность регистрации времени событий в системе единого времени в АСУТП - в пределах 0,5 - 10 мс (зависит от периода опроса входных сигналов);
• погрешность привязки системного времени АСУТП к астрономическому времени - не более +-0,5с.

 Точность измерений и вычислений обеспечивается метрологическим обеспечением АСУТП.

8. Пригодность к эксплуатации

  Пригодность к эксплуатации характеризуется широким спектром требований, охватывающим собственно эксплуатационные свойства АСУТП, использование соответствующих международных и отечественных стандартов во всех видах обеспечения АСУТП, совместимость и унификацию.
  Требования к условиям эксплуатации устройств верхнего уровня ПТК, устанавливаемых в оперативных и не оперативных специально подготовленных помещениях с постоянным присутствием оперативного персонала (ПЭВМ, видеомониторы, принтеры, клавиатуры и др.), должны соответствовать ГОСТ 15150-69*, исполнение УХЛ, категория размещения 4.1, и техническим условиям на используемые технические средства.
  Технические средства, устанавливаемые в этих помещениях, должны соответствовать ГОСТ 12997-84, группа В4, и надежно функционировать при следующих условиях:

• рабочая температура окружающей среды 15 - 20  ºC;
• предельная температура (на период не более 2 ч) 10 - 40  ºC;
• относительная влажность воздуха 30-75% при температуре 25  ºC;
• предельная влажность воздух  20-80% при температуре 25 ºС;
• атмосферное давление (группа Р1) 84,6 - 106,7 кПа;
• вибрация в диапазоне частот 0,5 -50 Гц с амплитудой 0,15 мм (группа N1);
• напряженность внешних магнитных полей постоянного и переменного тока с частотой 50Гц - до 40 А/м;
• напряженность внешних электрических полей до 10 кВ/м;
• содержание пыли (размер частиц не более 3 мкм) в помещениях не более 1,0 мг/м3.

  Технические средства нижнего уровня ПТК, устанавливаемые в специально подготовленных для этого помещениях, должны соответствовать ГОСТ 12997-84, группа В4, и иметь степень защиты IP54 (по требованию заказчика) и надежно функционировать при следующих условиях:

• рабочая температура окружающей среды 10 - 40  ºC;
• относительная влажность воздуха 30-75% при температуре 25  ºC;
• предельная влажность воздух  20-80% при температуре 25 ºС;
• атмосферное давление (группа Р1) 84,6 - 106,7 кПа;
• вибрация в диапазоне частот 0,5 -50 Гц с амплитудой 0,15 мм (группа N1);
• напряженность внешних магнитных полей постоянного и переменного тока с частотой 50Гц - до 400 А/м;
• напряженность внешних электрических полей до 10 кВ/м;
• содержание пыли в помещениях - в соответствии с требованиями для электротехнических помещений.

 Технические средства, устанавливаемые вблизи технологического оборудования, должны соответствовать ГОСТ 12997-84, группа Д3, иметь степень защиты IP54 и надежно функционировать при следующих условиях:

• атмосферное давление (группа Р1) 84,6 - 106,7 кПа;
• вибрация в диапазоне частот 0,5 -50 Гц с амплитудой 0,1 мм (группа N1);
• напряженность магнитных полей постоянного и переменного тока до 400А/м;
• напряженность переменных электрических полей до 10 кВ/м;
• наличие индустриальных радиопомех;
• рабочая температура окружающей среды в нормальных условиях 10 - 50  ºC;
• относительная влажность не более 90%;
• предельная влажность воздух  20-80% при температуре 25 ºС;

  В аварийных режимах допускается температура 75 ºС и относительная влажность 100%.

  В наружных установках для технических средств АСУТП температура окружающей среды может быть до минус 40 ºС (в особых климатических районах и подрайонах по СНиП 23-01-99 до минус 70 ºС), относительная влажность - до 100%, степень защиты - не хуже IP 55.

  В составе ПТК должны использоваться технические средства, производимые в соответствии с общепринятыми международными и отечественными стандартами, что обеспечивает конструктивную, информационную и программную совместимость изделий различных разработчиков и создает предпосылки к достижению конкурентоспособности на мировом рынке.

  В ПТК, как правило, должны использоваться современные ОС. Допускается применение двух различных ОС на верхнем и нижнем уровнях ПТК. Должна предусматриваться возможность настройки ОС в соответствии с конфигурацией ПТК и его программного обеспечения.

  Средства коммуникации с внешними системами (типа "шлюз") должны обеспечивать поддержку стандартных сетевых протоколов и общепринятых сетевых протоколов.

  В "шлюзах" должна обеспечиваться поддержка стандартов открытого доступа к данным, имеющимся в конкретном "шлюзе" в момент поступления запроса, с помощью механизмов межзадачного обмена (например, OPC, DDE/NetDDE, ODBC/SQL, OLE/OCX и др.).

  Программирование прикладных программ нижнего уровня, работающих в реальном времени, должно производиться с использованием современных графических языков программирования или стандартных языков программирования (например, в соответствии с IEC1131-3), позволяющих описывать автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме.

  Для кодирования информации в ПТК должна обеспечиваться возможность использования единой системы кодирования (например, типа KKS).

  Формы представления информации управления на средствах ПТК должны быть приближены к проектным изображениям технологических схем и их элементов.

  Базовые конструкции (стойки, каркасы, навесные шкафы и т.п.) должны выполняться в соответствии с общепринятыми стандартами (например, "Евромеханика"). В конструкциях ПТК должна быть сведена к минимуму номенклатура используемых субблоков (крейтов). Конструктивы шкафов, рам, функциональных модулей должны быть унифицированы во всех устройствах ПТК. Должно использоваться минимальное количество номинальных значений питающих напряжений.

  В УСО вне зависимости от типа используемых входных и выходных сигналов должны использоваться стандартные (унифицированные) интерфейсы.

  При документировании результатов однотипных работ (например, при описании прикладных алгоритмов и программ различных технологических контуров управления) в ПТК должна применяться едина форма документации в соответствии с ГОСТ 34.201-89.

9. Требования к интерфейсу

  В АСУТП следует использовать аппаратные средства, интерфейс которых совместим с интерфейсом соответствующих технических средств других автоматизированных систем объекта управления и применяемых систем связи. Интерфейс с аппаратами низовой автоматики имеет следующие параметры (ГОСТ 26.011-80, ГОСТ 26.013-81). Измерение аналоговых параметров производятся приборами, преобразующими измеряемый параметр в электрический выходной сигнал. Преимущественно используются унифицированные электрические сигналы.
  Выходной управляющий аналоговый сигнал соответствует унифицированному токовому сигналу или унифицированному сигналу напряжения.
  Дискретный сигнал ввода/вывода соответствует:

• вводу сигнала типа "сухой контакт";
• вводу/выводу сигнала напряжения 24 В;
• вводу/выводу сигнала напряжения 220 В.

  Сигналы гидравлические, пневматические следует применять в соответствии с ГОСТ 26.012-80, ГОСТ 26.015-81.

10. Особые требования

  К особым или дополнительным требованиям следует отнести в частности требования:

• по техническому обслуживанию, ремонту, хранению;
• к защите информации;
• к оснащению АСУТП дополнительными устройствами.

  Требования технического обслуживания, ремонта и хранения содержат:

• данные по видами и периодичности обслуживания программно-технических средств АСУТП, допустимость работы отдельных средств без обслуживания;
• количество и квалификацию обслуживающего персонала, режим его работы;
• состав, размещение и условия хранения запасных изделий и приборов.

  Требования к защите информации от несанкционированного доступа содержат требования, установленные в нормативах, действующих в отрасли заказчика.

  В требованиях по оснащению АСУТП дополнительными устройствами указывают необходимость оснащения системы устройствами для обучения персонала (например, тренажерами), стендами и сервисной аппаратурой для проверки элементов системы.

  Кроме перечисленных требований дополнительно включают требования, связанные с особыми условиями эксплуатации, требования специфичные для конкретного заказчика системы, требования по применению нормативно-технической документации (стандартов, нормативов, методик и др.).

11. Требования к документам АСУТП

  Комплектность документации создаваемой АСУТП определяется "Техническим заданием на создание АСУТП" и/или договором/контрактом на создание системы.

  Документы системы или ее части разрабатываются на основании различных общегосударственных нормативов и методик.

  Последние содержат требования по всему комплексу документов на создание АСУТП.

  Нормативные документы с требованиями к каждому виду документов системы следующие: ГОСТ 34.201-89, ОРММ-3 АСУТП, ГОСТ 21.408-93, ГОСТ 19.101-77, ГОСТ 19.505-79, ГОСТ 19.508-79, ГОСТ 19.501-78 и ряд других.

12. Требования к видам обеспечения системы

  Требования к АСУТП составляются, как правило, набором требований к системе в целом, ее функциям, к подготовленности персонала и видам обеспечения АСУТП (организационное, информационное, техническое, математическое, программное, лингвистическое, правовое), к безопасности, к эргономике рабочих мест персонала АСУТП.

  Требования к АСУТП устанавливаются ГОСТ 24.104-85 "ЕССАСУ. Автоматизированные системы управления "Общие требования".

13. Требования и исходные материалы для создания АСУТП

  Исходные материалы включают характеристики и требования к системе и служат основой и главной направляющей технической разработки, создания и внедрения АСУТП. Исходные материалы представляют из себя набор документально изложенных характеристик технологического объекта управления и требований к объекту и к автоматизированной системе управления технологическим процессом на объекте.

  Исходные материалы по созданию АСУТП на разных стадиях и этапах ее создания имеют различную степень и глубину проработки, объем представляемых документов, детализацию основных требований к системе со стороны заказчика и потребителя системы. Исходные материалы по созданию АСУТП комплектуются и оформляются в форме документов.

  Исходные материалы на этапах предпроектных работ содержат следующие документы:

• отчет о научно-исследовательской работе по детальному изучению объекта управления, по поиску путей и оценке возможностей реализации требований пользователя будущей системы;
• отчет об обследовании объекта управления с целью обоснования необходимости создания АСУТП в результате сбора данных об объекте управления и его деятельности, выявления проблем, которые могут быть решены созданием АСУТП на объекте;
• набор организационных и технических документов, в которых содержатся материалы, характеризующие объект управления и требования к создаваемой АСУТП;
• технико-экономическое обоснование инвестиций на создание АСУТП, служащих основанием для принятия решения о хозяйственной необходимости, технической возможности, экономической и социальной целесообразности инвестиций в создание АСУТП (СП 11-101-95);
• технико-экономический расчет (ТЭР) создания АСУТП, который содержит не только данные и характеристики технологического объекта управления, но также экономические и коммерческие расчеты целесообразности разработки АСУТП;
• технико-экономическое обоснование создания АСУТП, представляющее собой достаточно полное изложение экономических решений по применению технических средств и организационно-функциональных мероприятий по созданию АСУТП (ГОСТ 24.202-80);
• задание на проектирование АСУТП, как часть общего задания на проектирование технологического объекта управления, в этом случае (п. 1.3. ГОСТ 34.602-89) "Техническое задание на АСУТП" не выполняется;
• требования к АСУТП, содержание которых соответствует п.1. приложения 1 РД 50-34.698-90 "АС. Требования к содержанию документов" и п.2. приложения 1 ГОСТ 34.601-90 "АС. Стадии создания";
• концепция создания АСУТП, содержание концепции соответствует рекомендациям пп.5 и 6 приложения 1 ГОСТ 34.601-90 и п.2 приложения 1 РД 50-34.698-90;
• "Техническое задание на создание АСУТП" (ТЗ) по ГОСТ 34.602-89 одноименного наименования, определяющего состав, содержание и правила оформления документа ТЗ на АСУТП;
• эскизный проект АСУТП с содержание работ по пп.8, 9 и 10 приложения 1 ГОСТ 34.601-90 и РД 50-34.698-90;
• технический проект АСУТП, содержание которого определяется пп. 9, 10, 11, 12 приложения 1 ГОСТ 34.601-90 и РД 50-34.698-90;
• проект АСУТП, выполняемый по ГОСТ 21.101-97 "СПДС основные требования к проектной и рабочей документации";
• утверждаемая часть рабочего проекта АСУТП, выполняемая по ГОСТ 21.101-97.

  Каждый из перечисленных выше документов может являться исходным материалом для выполнения работ по стадиям и этапам работ, которые приведены ниже по ГОСТ 34.601-90.

Стадия 1. Формирование требований к АСУТП.

Этапы работ:

• Обследование объекта и обоснование необходимости создания АСУТП;
• Формирование требований пользователя к АСУТП;
• Оформление отчета о выполненной работе и заявки на разработку АС (тактико-технического задания).

Стадия 2. Разработка концепции АСУТП.

Этапы работ:

• Изучение объекта;
• Проведение необходимых научно-исследовательских работ;
• Разработка вариантов концепции и выбор варианта концепции АСУТП, удовлетворяющего требованиям пользователя;
• Оформление отчета о выполненной работе.

Стадия 3. Техническое задание - ТЗ.

Этапы работ:

• Разработка и утверждение технического задания на создание АСУТП.

Стадия 4. Эскизный проект - ЭП.

Этапы работ:

• Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям;
• Разработка документации на АСУТП и ее части.

Стадия 5. Технический проект - ТП.

Этапы работ:

• Разработка проектных решений по системе и ее частям;
• Разработка документации на систему и ее части;
• Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку;
• Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации.

Стадия 6. Рабочая документация - РД.

Этапы работ:

• Разработка рабочей документации на систему и ее части;
• Разработка или адаптация программ.

Стадия 7. Ввод в действие.

Этапы работ:

• Подготовка объекта автоматизации к вводу в действие;
• Подготовка персонала;
• Комплектация АСУТП поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями);
• Строительно-монтажные работы (СМР);
• Пусконаладочные работы (ПНР);
• Проведение предварительных испытаний;
• Проведение опытной эксплуатации;
• Проведение приемочных испытаний.

Стадия 8. Сопровождение АСУТП.

Этапы работ:

• Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами;
• Послегарантийное обслуживание.

  Стадии и этапы, выполняемые участниками работ по созданию АСУТП, устанавливаются в "Техническом задании на создание АСУТП", заданием на проектирование АСУТП и договорами на выполнение работ по созданию АСУТП. Возможно параллельное выполнение отдельных этапов работ до завершения предшествующих стадий и этапов. При этом исходные материалы предыдущей стадии могут быть дополнены и изменены по результатам проводимых работ по этапу и могут использоваться в качестве исходных материалов для разработки последующего этапа. Наибольшее изменение и уточнение в части характеристик и требований к системе в жизненном цикле создания АСУТП претерпевают, как правило, требования к функциональности системы. Поэтому, при получении исходных материалов (ИМ) на каждом этапе следует итеративно анализировать их. Особое внимание при анализе следует уделить анализу технологического процесса объекта управления в свете сегодняшнего состояния средств автоматизации, вычислительной техники, информационных технологий, программных средств.