Об автоматизированных системах управления технологическими процессами как объектами метрологического обеспечения

Метрологическое обеспечение систем управления технологическими процессами - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства, и требуемой точности изме­рений.

Принято рассматривать метрологическое обеспечение (МО) систем управления технологическими процессами как органи­ческое сочетание четырех групп (основ): научной основы, технических и орга­низационных основ, а также правил и норм МО.

Научной основой является метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точ­ности. Зародившись в недрах естественных наук, метрология в настоящее время стала разделом технической физики.

Измерение физических и химических величин автоматизированных систем, которые характеризуют состояние и ход технологического процесса, является одной из главных функ­ций АСУ ТП. Основной целью МО является получение необходимой точности измерений в условиях эксплуатации систем, а также единообразие способов выражения результатов измерений в процессе функционирования АСУ ТП для возможной их сопоставимости. Все эти условия должны выполняться независимо от типа системы и ее отраслевой принадлежности систем автоматизации.

Определение

Согласно ГОСТ 17194—76, АСУ ТП является автоматизированной системой управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. АСУ ТП включает в себя технологическое оборудование, сред­ства автоматизации, оперативный персонал (операторы, технологи, диспет­черы), которые, взаимодействуя в реальном масштабе времени, управляют технологическим процессом по заданным алгоритмам систем автоматизации и обобщенному технико-экономическому критерию при наличии технологических, экономических, социальных и экологических ограничений.

Метрологическое обеспечение АСУ ТП находится в стадии становления - методы и средства практически не разработаны. Это обусловлено прежде всего тем, что АСУ ТП как объект МО является оригинальным комплексом, к которому не применим традиционный подход, общепринятый в метрологии.

С точки зрения МО АСУ ТП можно выделить следующие основные при­знаки:

• индивидуальность целевых и алгоритмических функций АСУ ТП одного типа;
• органическая неразрывная связь комплекса технических средств изме­рения, регулирования, вычислительных комплексов, человека-оператора с конкретным технологическим объектом управления;
• мало серийное и одноразовое исполнение для большинства АСУ непрерыв­ных технологических процессов. В то же время изделия, комплектующие АСУ ТП — средства измерений и средства автоматизации ГСП — являются серийными изделиями, к которым предъявляются общепринятые технические требования и которые имеют технические условия, предусмотренные ГОСТами;

АСУ ТП в отличие от комплекса технических средств ГСП в большинстве случаев не проходят стадий макетирования, лабораторной проверки, периодических и типовых испытаний в полном комплекте, а сразу же после проект­ной разработки систем управления технологическими процессами комплектуются и монтируются непосредственно на конкрет­ном технологическом объекте управления.

Из чего состоит и требования к эксплуатации

Составляющие элементы АСУ ТП — объект управления, средства измере­ния, каналы связей автоматизированных систем, регуляторы, исполнительные механизмы, вычислительные комплексы автоматизированных систем в большинстве случаев удалены друг от друга (иногда на зна­чительные расстояния), находятся в различных условиях эксплуатации и под­вержены воздействию разнообразных влияющих факторов. Эти влияния настолько существенны, что могут свести к нулю ожидаемую экономическую эффективность от внедрения автоматизированной системы.

Условия эксплуатации всех технических средств систем управления технологическими процессами на реальных объектах как правило, не могут быть изменены и приведены к определенным, например, нормальным условиям. Это исключает возможность при испытаниях АСУ ТП определять или контролировать те метрологические характеристики (MX) ка­налов измерения и точностные характеристики каналов управления, которые нормируются на стадии проектирования для нормальных условий. Поэтому часто эти характеристики АСУ ТП определяют расчетными методами. Эффективность таких расчетов целиком зависит от достоверности исходной информации, обоснованности методик расчета, опытности и квалификации проектировщиков систем.

Каналы АСУ ТП неравноценны по своему функциональному назначению. Самыми важными являются те, которые обеспечивают безопасные для обслу­живающего персонала условия эксплуатации и безаварийное протекание технологического процесса. Вторичными по значимости являются каналы, обеспечивающие заданное количество и качество самых «весомых» (в экономи­ческом плане) материальных и энергетических потоков, участвующих в произ­водстве. При обследовании ряда АСУ ТП в металлургической, химической и энергетической промышленности оказалось, что только 10—15 % каналов являются самыми значимыми и дорогими, а 90—85 % приходится на «мало весомые».

Разработка метрологического обеспечения конкретной АСУ ТП тесно связана с разработкой всех других ее основных составляющих и может быть проведена в полном объеме только при следующих условиях:

• определении обобщенного технико-экономического критерия управления автоматизированных систем;
• обосновании рационального объема первичной информации автоматизированных систем, поступающей с объекта и обеспечивающей заданное качество продукции;
• проработке количественной оценки величины экономического эффекта автоматизированных систем, получаемого от внедрения комплексов управления с учетом степени адекват­ности объектов управления и точностных характеристик и MX технических средств, входящих в состав АСУ ТП.

Особое внимание необходимо уделить отработке метрологического обеспе­чения АСУ ТП, когда в ее создании принимают участие организации многих ведомств, имеющие различный научный и технический уровень. Тогда возни­кают ситуации, при которых различные комплексы системы создаются и работают в соответствии с техническими условиями различных разработчиков и достижение необходимых точностных и технических характеристик системы в целом затруднено. Единственный выход из создавшегося положения — мак­симальное внимание вопросам метрологического обеспечения на стадии технического задания и технического проектирования системы.

Анализ АСУ ТП, как объекта МО, позволяет сформулировать некоторые общие принципы организации работ по метрологическому обеспечению АСУ ТП.

Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно охватывать все виды преобразования информации и сигналов в системах. Это возможно осуществить, базируясь при разработке структурных схем систем на корректном об­следовании объекта автоматизации, с помощью аттестованных методик выпол­нения измерений, либо его моделировании.

В настоящее время требования МО АСУ ТП можно, в основном, распространить на технические средства систем и измерительно-информацион­ные каналы систем управления технологическими процессами.

Специфические трудности возникают здесь при более детальном рассмот­рении систем, имеющих в своем составе как средства измерений систем управления технологическими процессами, так и устрой­ства, не относящиеся к ним (вычислительная техника). Распространение же требований метрологии на каналы и устройства, осуществляющие управляю­щие функции, можно будет осуществить, ког­да будет разработана соответствующая нормативная база.

Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно держать единый комплекс нормированных MX и показателей точности для всех и для системы в целом. Этот комплекс должен отражать случайный погрешностей, возникающих в АСУ ТП, и обеспечивать возможность обоснованной оценки расчетным путем MX звеньев, а также оценки показателей точности результатов измерения, контроля и управления, осуществляемых системами, с учетом действия на различные звенья систем различных по характеру и величине влияющих факторов.

Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно содержать три составные части:

• методики проведения работ систем управления технологическими процессами;
• технические средства МО систем управления технологическими процессами;
• структуру организации работ по МО, что особенно важно при метроло­гической аттестации систем.

При организации работ по МО АСУ ТП следует более полно учитывать, как конкретные свойства систем, так и некоторые особенности их проектиро­вания и эксплуатации, которые сводятся к следующему:

Так как в ряде случаев не обеспечивается единый подход к проблемам нормирования MX средств измерений систем управления технологическими процессами, контролирующих технологические про­цессы и сырье, а также отдельных компонентов системы, что приводит к мет­рологической несовместимости при их использовании в измерительных каналах (ИК) АСУ ТП, необходимо максимально использовать выпускаемые в рам­ках ГСП агрегатированные комплексы, минимально разнообразить приме­няемые методы измерений, что сведет к минимуму различия в номенклатуре MX используемых систем измерения и методов их нормирования.

Так как имеющиеся сведения о характеристиках измеряемых величин систем управления технологическими процессами различных технологических процессов часто недостаточны для научно обос­нованного проектирования системы, то при решении вопросов применения конкретных технических средств на стадии разработки ТЗ и технического проекта АСУ ТП необходимо проводить дополнительные исследовательские работы по уточнению методик выполнения измерений, а если потребуется, то и их аттестации.

В тех случаях, когда методики расчета MX измерительных каналов автоматизированных систем no MX их звеньев и другие расчетные методики невозможно применить для расчета MX измерительного канала АСУ ТП в целом следует такой расчет проводить для отдельных частей канала с последующей стыковкой для полу­чения MX канала в целом. При невозможности проведения и таких расчетов следует определить MX экспериментально на макетах ИК либо в процессе опытной эксплуатации АСУ ТП.

Методики испытаний и поверки ИК АСУ ТП должны быть ориентированы на использование выпускаемых в стране образцовых СИ. Недостающие образцовые СИ должны быть разработаны и аттестованы до начала испытаний СИ.

Нормативно-техническая документация, регламентирующая порядок проведения испытаний автоматизированных систем любого вида (внутренних, ведомственных, межведомственных), метрологическую экспертизу систем и метрологический надзор за ними в процессе эксплуатации, должна быть разработана, как минимум на уровне стандартов предприятия.