Автоматизация проектирования технического обеспечения АСУТП

Е.С.Целищев, А.В., И.С.Кудряшов

ВТОМАТИЗАЦИЯПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ТЕХНИЧЕСКОГО 
ОБЕСПЕЧЕНИЯ Учебное пособие

-

 
«
 
. . » 
 
 
: 
: 

Перечень сокращений

KKS
–
Kraftwerke Kennzeichen System (нем.) – система классификации и
кодирования тепловых электростанций

АДТ
–
агрегативно-декомпозиционная технология

АСР
–
автоматическая система регулирования

БДЗ
–
база данных и знаний

БОЭ
–
блок управления задвижкой (компонент РТЗО-88М)

БРУ
–
блок ручного управления

БЭЗ
–
блок управления электрозадвижкой (местный пост)

ГФД
–
графическая форма документа

ЕМП
–
единая модель проекта

ЕМТЗ
–
единая модель на уровне технического задания

ИВК
–
информационно-вычислительный комплекс

ИВС
–
информационно-вычислительная система

КИП
–
контрольно-измерительные приборы

МЭО
–
механизм электрический однооборотный

ПКМ
–
нажатие правой кнопки мыши

ПО
–
программное обеспечение

ППО
–
прикладное программное обеспечение

ПТК
–
программно-технический комплекс

РТЗО
–
ряды токовые однорядные защищенные (сборки задвижек)

СКУ
–
система контроля и управления

ТЗ
–
техническое задание

ТТ
–
технические требования

ТО 
АСУТП

–
техническое обеспечение автоматизированной системы управления
технологическим процессом

ТКП
–
технико-коммерческие предложения

ТФ
–
терминальная функция

ЭПД
–
электропитание датчика

Предисловие 
Современные АСУТП энергоблоков ТЭС представляют собой сложные 
многофункциональные системы. При модернизации действующих или строительстве новых энергетических объектов технология создания АСУТП играет 
исключительно важную роль. Внедрение современных АСУТП на базе ПТК 
сетевой иерархической структуры, которые заменяют широкую номенклатуру 
технических средств как традиционных систем контроля и управления, так и 
информационно-вычислительных систем и служат единым системообразующим компонентом, привело к коренному изменению технологии создания 
АСУТП на электростанциях. К настоящему времени последовательность работ по практической реализации АСУТП на базе программно-технических 
комплексов  в основном отработана. 
В основе новой технологии АСУТП лежит жизненный цикл системы 
управления, включающий стадии ее создания и эксплуатации, и идея «сквозного» (расширенного) проектирования1. При этом конечным результатом 
проектирования считается введенная в эксплуатацию и готовая  к сдаче заказчику система управления гарантированной технологической работоспособности. 
Суть новой технологии заключается в последовательном (итерационном) 
выполнении различных стадий формирования описаний2 системы, необходимых и достаточных для изготовления АСУТП и обеспечения функционирования автоматизированного объекта. Иными словами, новая технология обеспечивает неразрывность процессов проектирования на функциональном, конструкторском и технологическом уровнях и ввода системы в действие с обеспечением его поддержки соответствующими инструментальными средствами 

                                                           
 
 
 
1 Проектирование – это процесс создания описаний впервые создаваемого (или модернизируемого) технического объекта,  достаточных для изготовления этого объекта в 
заданных условиях. 
2 Описания – это комплект конструкторской и технологической документации в виде 
чертежей и схем, спецификаций, программ, реализующих алгоритмы управления, пояснительных записок и других необходимых сведений, называемых проектными документами. Окончательными описаниями называют документы, необходимые для 
изготовления объекта  и  достаточные для обеспечения его функционирования в заданных режимах работы. Окончательность описаний согласно данному определению 
подтверждается на этапе ввода объекта в действие и его опытно-промышленной эксплуатации, иными словами, процесс проектирования заканчивается только после  ввода объекта в штатную эксплуатацию. 

автоматизации на всех этапах производства работ и последующей эксплуатации. При этом содержание новой технологии как процесса «сквозного» проектирования в полном объеме определяется стадиями предконтрактных работ, разработки технического задания, функционального, конструкторского и 
технологического проектирования. 
На стадии предконтрактных работ основными являются задачи определения технического облика будущей АСУТП, принятия решения по выбору 
фирмы-поставщика ПТК и оценки стоимости создания системы. 
Технический облик создаваемой АСУТП формируется в виде технических 
требований. В ТТ определяются технологические границы системы и ее подсистем, количество и типы датчиков и исполнительных устройств, функции 
АСУТП, включая состав автоматических регуляторов, технологических защит и др.
Решение по выбору фирмы-поставщика ПТК принимается путем проведения конкурса, в ходе которого по техническим требованиям заказчика фирмы-участницы формируют собственные технико-коммерческие предложения.
Анализ ТКП позволяет дать оценку рыночной стоимости АСУТП.
На стадии технического задания требования к АСУТП детализируются. 
Формируется база данных датчиков и исполнительных устройств; конкретизируются требования к составу и характеристикам функций; определяются 
общие требования к системе (надежность, быстродействие, точность и т.д.); 
формируются требования к ПТК как к основному системообразующему компоненту АСУТП (требования к аппаратным средствам, инструментальному 
программному обеспечению, технической документации и др.). Согласованное ТЗ не должно допускать неоднозначных трактовок.
На стадии функционального проектирования формируются общесистемные решения по АСУТП (включая проектную компоновку ПТК), определяются алгоритмы реализации функций АСУТП (в том числе схемные решения 
по автоматическому регулированию, технологическим защитам и блокировкам), разрабатывается прикладное программное обеспечение (ППО контроллеров; ППО рабочих станций, включая операторский интерфейс и оперативную базу данных).
Основное содержание работ на этой стадии связано с разработкой алгоритмов реализации наиболее сложных функций АСУТП (автоматическое регулирование, функционально-групповое логическое управление и др.). Именно алгоритмы (структурные решения, логические программы) реализации 
этих функций являются главным фактором, определяющим техническую 
структуру АСУТП, включая распределение датчиков и исполнительных 
устройств по отдельным контроллерам.
На стадии конструкторского проектирования решается задача технического синтеза систем управления – разрабатывается рабочая документация 

проекта технической структуры системы (принципиальные электрические 
схемы, монтажно-установочные чертежи, кабельные журналы, заказные спецификации и т.д.), обеспечивающая сопровождение системы до конца ее 
жизненного цикла. Ответственность этой стадии работ связана как с большим 
объемом документации и существенной трудоемкостью выполнения проектных процедур, так и с требованиями по сокращению ошибок в проектной документации и др. 
Решению задач на стадии конструкторского проектирования посвящено 
настоящее переработанное и дополненное учебное пособие. Поддерживающая эту стадию АД-технология и программно-информационный комплекс 
AutomatiCS снимают главное ограничение существующих технологий проектирования технических систем. Это ограничение, как известно, связано с 
проблемой формирования единой информационной основы проекта, которая 
координирует выполнение отдельных проектных процедур и операций в рамках иерархической организационной структуры отделов проектирования организаций, участвующих в создании АСУТП, и обеспечивает сквозную автоматизацию проектных работ на единой информационной базе. 
Стадия технологического проектирования включает сборку системы (монтажные работы), проведение полигонных испытаний и выполнение пусконаладочных работ по вводу АСУТП и автоматизированного оборудования в 
эксплуатацию.  
Изложенная последовательность работ определяет технологию создания 
АСУТП «под ключ». В целом методологические основы новой технологии 
создания современных АСУТП рассматриваются в интегрирующей дисциплине «Технология систем управления». 
Настоящее учебное пособие посвящено технологии автоматизированного 
выполнения работ на стадии конструкторского проектирования. Оно написано на основе курса лекций и соответствующего лабораторного практикума по 
дисциплине «Автоматизация проектирования систем и средств управления» и 
предназначено для студентов направления 220400 «Управление в технических системах».  
Настоящее обновленное издание существенно расширено в части описания практического приложения уникальных методик эффективного автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП. Большое 
значение уделено пользовательским командам, а фактически инструменту, 
позволяющему пользователю самостоятельно разрабатывать автоматизированные операции и процедуры, таким образом существенно повышая степень 
автоматизации проектных работ, которая в рамках предлагаемой технологии 
ничем не ограничена. Много внимания в пособии уделено новым подходам и 
методам автоматического формирования проектных документов, способам 
описания процессов их формирования. 

Описываемый во втором разделе пособия пример выполнения проекта 
СКУ подводит читателя к мысли о реальной возможности создания при помощи АД-технологии САПР, уровень автоматизации в которой приближался 
бы к абсолютному. В этом случае формализованный опыт проектировщика 
структурированный и описанный средствами системы, выступает в качестве 
гаранта быстрого и безошибочного выполнения проекта.
Книга может быть полезной для студентов других специальностей, инженеров и научных работников.
Освоение материала пособия предполагает наличие у читателя соответствующей  подготовки по основным дисциплинам специальности:
метрология и теплотехнические измерения;
регулирующие органы;
электропривод в системах управления;
локальные системы управления;
автоматизированное управление в технических системах;
проектирование систем автоматизации;
монтаж и наладка средств управления.
Материал пособия сведен в два раздела.
Первый раздел содержит описание теоретических основ предлагаемой
технологии сквозной автоматизации  проектирования СКУ.
Во втором разделе дается подробное описание проектных процедур и операций при выполнении проекта в части систем контроля на примере одного 
из объектов энергетики.
Лабораторный практикум по дисциплине выполняется индивидуально и 
основан на изучении основных автоматизированных проектных процедур и 
операций при разработке систем контроля и дистанционного управления.
Учебное пособие написано коллективом авторов в составе д-ра техн. наук,
ст. науч. сотр. Е.С. Целищева (введение в проблему проектирования сложных 
систем управления, разделы 1, 2), А.В. Котловой (разделы 1,2), И.С. Кудряшова (раздел 2), д-ра техн. наук, профессора  Ю.С. Тверского (предисловие и 
общая научная редакция учебного пособия).

Введение в проблему проектирования сложных систем 
управления 

О понятии «сложная система» 
Термин «большая или сложная система» в литературе и учебных программах появился более полувека назад. Полагают, что этот термин был вызван определенной растерянностью исследователей и проектантов перед возникающими действительно сложными задачами и содержал как бы априорное 
оправдание возможной неудачи исследования (анализ) или проектирования 
(синтез). В последующем удалось выявить общие черты, присущие существенно различным сложным системам, и тем самым очертить класс таких 
объектов. В настоящем учебном пособии рассматриваются задачи синтеза 
(проектирования) сложных систем, к которым относятся современные 
АСУТП энергоблоков. Проблема сложности формирования их технической 
структуры  связана с размерностью задачи. Ясно, что реальные возможности 
конструкторов (проектировщиков) в условиях большой размерности задачи 
ограничены рамками отдельных проектных процедур и операций. Следствием 
этого являются многократное дублирование проектных данных, ориентация 
средств автоматизации на подготовку проектных документов, содержание и 
оформление которых регламентировано конкретными стандартами. Отсюда 
рост непроизводительных информационных потоков, возрастание вероятности ошибок, невозможность выпуска дополнительной (например, нерегламентированной) документации и др.  
В сложных системах одной из основных особенностей является взаимодействие выделенных в результате декомпозиции системы подсистем. Таким 
образом, сложная система представляется в виде многоуровневой конструкции из взаимодействующих между собой элементов, где к элементам первого 
уровня относятся подсистемы, на которые первоначально разбита исходная 
система, к элементам второго уровня – подсистемы, получающиеся из разбиения подсистем первого уровня. Структуризация подсистем выполняется до 
тех пор, пока получившиеся элементы не признаются «простыми» для реализации возможности дальнейших исследований. При этом основное отличие 
между «простыми» и «сложными» элементами (подсистемами) характеризуется не столько элементом как таковым, сколько решаемой задачей, определяющей глубину структуризации модели системы. 

Техническая структура системы управления 
Под технической структурой системы управления понимают совокупность 
и характер причинно-следственных связей и отношений между элементами 

системы. Сложность системы контроля и управления технического объекта 
или технологического процесса определяется, прежде всего, количеством и 
многообразием входящих в состав системы элементов, а также количеством и 
многообразием взаимосвязей этих элементов. Сложность, обусловленная 
структурой информационно-управляющих каналов системы управления, будем называть структурной сложностью.
Рассматриваемые здесь технические структуры СКУ представляют собой 
совокупность технических элементов и физических связей между ними. При 
этом проблема технического синтеза систем контроля и управления как класса структурно-сложных систем определяется размерностью решаемой задачи:
многообразие элементов
– сотни;
количество элементов
– тысячи;
количество типов связей
– сотни;
количество связей
– десятки тысяч.
Поэтому решение задач автоматизации работ на этапе конструкторского
проектирования, создание соответствующих систем и средств автоматизированного 
проектирования 
технической 
структуры 
информационноуправляющих каналов сложных систем управления является важной частью 
общей технологии создания современных полномасштабных АСУТП энергоблоков электростанций.

АД-технология – основа САПР AutomatiCS
Система управления на этапе технического синтеза, несмотря на большое 
число компонентов, как правило, функционально определена. Функциональная структура системы полностью характеризует иерархическое построение 
системы, потоки передачи информации и степень взаимодействия элементов. 
Это позволяет отразить уровни абстракции иерархической структуры сложной системы и последующие проектные описания ограниченного множества 
элементов и связей.
Если при этом все составляющие одного уровня абстракции будут взаимодействовать друг с другом по вполне определенным правилам, то на каждом уровне соответственно будут существовать четкие границы между внешней и внутренней средой. Эти правила и фундаментальные положения иерархически построенных структурно определенных систем служат основой агрегативно-декомпозиционной технологии (АД-технологии) проектирования 
технического обеспечения СКУ.    
Отличительная особенность АД-технологии, лежащей в основе САПР AutomatiCS, заключается в информационной интеграции описаний проектируемой системы на всех этапах ее технического синтеза на основе понятия единой модели проекта (ЕМП).

Понятие единой модели проекта 
ЕМП отражает не только описания текущего состояние проекта, но и процесс его эволюции от начального состояния, соответствующего техническому 
заданию на проектирование в виде перечня задач управления, до полной параметрической (конструкторской) модели СКУ. Техническая документация, 
полученная на основе ЕМП, обеспечивает: 
комплектацию и заказ основного и вспомогательного оборудования 
СКУ, приборов, датчиков, щитовых изделий, кабелей, монтажных материалов 
и др.; 
выполнение монтажных и пусконаладочных работ СКУ на этапе ее ввода в действие (технологическое проектирование); 
сопровождение СКУ на следующей за вводом системы стадии ее эксплуатации в течение всего жизненного цикла системы. 
Это принципиальное отличие АД-технологии обеспечивает ряд важных 
практических преимуществ САПР AutomatiCS как современной автоматизированной системы: 
однократный ввод данных, исключающий возможность нарушения информационной целостности проекта; 
исключение промежуточных согласовательных этапов; 
возможность получения проектных документов на основе ЕМП на любой стадии проектирования; 
возможность настройки форм документов в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами, руководящими материалами; 
возможность организации многовариантного проектирования за счет 
итерационных сверток по группам принятых решений и их возобновления с 
учетом измененных требований; 
возможность создания и настройки автоматизированных проектных 
процедур и операций любого уровня сложности, создание на их основе так 
называемых пользовательских команд; возможность объединения нескольких 
пользовательских команд в одну и, таким образом, практически неограниченное укрупнение автоматизированных процедур; 
полная информационная интеграция единой модели проекта со структурой проектной документации и отдельными проектными документами. 
Функции автоматизации проектирования обеспечиваются взаимодействием следующих компонентов AutomatiCS: 
базы данных и знаний; 
программных средств автоматизации; 
языковых средств проектирования. 
Проектирование в среде AutomatiCS реализуется совокупностью основных и обеспечивающих поддержку проектных операций, связанных в типовые технологические маршруты выполнения работ: