Проектирование АСУТП водоподготовки

 
 
 
 
 
 
 
А. В. Герасимов, А. С. Титовцев 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСУТП ВОДОПОДГОТОВКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

 
УДК  681.5 
ББК   32.966 
Г37 
 
 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц.   Д. С. Бальзамов; 
канд. техн. наук, доц. М. П. Шлеймович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Герасимов, А. В. 
Г37  
Проектирование АСУТП водоподготовки : учебное пособие / А. В. Герасимов, А. С. Титовцев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
100 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1728-0 
 
Приведены общие сведения о SCADA-системах и показаны принципы 
работы в интегрированной среде разработки Trace Mode 6. Даны варианты заданий курсового проекта. 
Для студентов химико-технологических вузов, обучающихся по направлениям «Управление в технических системах» и «Автоматизация технологических процессов и производств».  
 
УДК 681.5 
ББК 32.966 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1728-0 
” Герасимов А. В., Титовцев А. С., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
В настоящее время практически все используемые в промышленности 
производственные системы оснащены средствами автоматизации: от локальных систем контроля и стабилизации параметров технологических процессов 
до мощнейших автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), для создания которых используют современные технологии 
с помощью компьютерных средств автоматизации и информационных технологий разного уровня.  
Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие 
основных составных частей таких систем. Современные удаленные терминалы, 
которые строят на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами 
верхнего уровня.  
Одной из важных проблем, которые решают в процессе создания современных систем промышленной автоматизации, является выбор технических, 
программных и инструментальных средств для реализации необходимых алгоритмов контроля и управления. Успех программно-технических комплексов разной архитектуры на рынке средств промышленной автоматизации, с одной стороны, дает широкие возможности для создания высококачественных АСУТП, 
с другой стороны, требует обоснованного и тщательного подхода к принятию 
технических решений относительно состава аппаратуры и программного обеспечения. 
Для повышения качества и сроков проектирования специального программного обеспечения используют специализированные программные средства. 
Такие комплексные программы для другого, более приоритетного, направления создания систем называются системами диспетчерского управления и сбора данных, или SCADA-системами.  
 
 
3 
 

ʖʏʓʏʜʗʔʜʏʞʟʝʔʙʡʗʟʝʑʏʜʗʔ 
 
Курсовой проект выполняется в интегрированной среде разработки 
SCADA-системы Trace Mode. Исходя из варианта задания, необходимо разработать информационную и математическую основу проекта, а также создать 
соответствующие мнемосхемы.  
Требуется разработать проект автоматизированной системы управления 
технологическим процессом водоподготовки. Схема процесса представлена 
на рис. 1.1 и включает две емкости, соединенные трубопроводом, на котором 
определенным образом установлены вентили, расходомеры и насос.  
 
В1
С1
С2
T1
T2
h1
h2
Н1
Н2
Насос
В3
В2
Q3
 
Рис. 1.1. Схема технологического процесса 
 
На данной схеме приняты следующие обозначения: С1 – емкость 1, С2 – 
емкость 2, В1 – вентиль 1, В2 – вентиль 2, В3 – вентиль 3, Н1 – нагреватель 1, 
Н2 – нагреватель 2, Q1 – расходомер на входе в первую емкость, Q2 – расходомер на входе во вторую емкость, Q3 – расходомер на выходе из второй емкости, Т1 – датчик температуры 1, Т2 – датчик температуры 2, h1 – уровень воды 
в первой емкости, h2 – уровень воды во второй емкости. 
Технологический процесс состоит из следующих этапов: 
1. Открываются В1, В2 и В3. Включается насос. 
2. Начинает заполняться С1, идет перекачка из С1 в С2, идет слив из С2. 
Расход через Q1 – 150 л/с, расход через Q2 – 110 л/с, расход через Q3 – 50 л/с. 
4 
 

3. После достижения h1 = 1,5 м закрываются В1 и В3. Перекачка продолжается. 
4. После опустения С1 отключается насос, закрывается В2, открывается В3. 
5. После полного слива из С2 закрывается B3. 
6. Повторяются пункты (2–5) до момента выхода из программы. 
Внутренний диаметр сосудов – 1 м. Высота сосудов – 4 м. Мощность нагревателей задается пользователем, исходя из удобства визуализации процесса. 
Начальное состояние системы – оба сосуда пустые, все вентили закрыты, 
нагреватели отключены, температура воды 20 °С. 
 
5 
 

ʡʟʔʐʝʑʏʜʗʮʙʠʝʓʔʟʕʏʜʗʭʞʟʝʔʙʡʏ 
 
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графического материала. 
Расчетно-пояснительная записка должна содержать следующие разделы: 
1. Введение. 
2. Краткое описание технологического процесса и технологического регламента. Характеристика объекта автоматизации с позиций задач управления. 
3. Основные решения по автоматизации технологических процессов: 
а) принятые проектные решения по техническому уровню и степени автоматизации; 
б) предлагаемая структура управления технологическим процессом с указанием ее иерархического построения, мест расположения пунктов контроля 
и управления. 
4. Обоснование выбора приборов и средств автоматизации с учетом условий эксплуатации, метрологических данных, быстродействия, надежности, экономичности и возможности построения эффективной информационно-управляющей системы технологическим объектом. 
5. Спецификация на приборы и средства автоматизации, а также средства 
вычислительной техники. 
6. Описание алгоритмов регулирования, а также разработки графических 
интерфейсов пультов управления. 
7.  Заключение. 
Проект должен содержать следующий графический материал: 
1) функциональную схему автоматизация технологического процесса; 
2) схему привязки полевого оборудования к контроллерам и узлам верхнего уровня АСУТП, отражающую техническую структуру системы; 
3) компоновочный чертеж щита и план операторского помещения (выполняется по указанию преподавателя); 
4) схему соединения внешних электрических и трубных проводок системы автоматизации (выполняется по указанию преподавателя). 
 
 
6 
 

1. ʠʝʑʟʔʛʔʜʜʪʔʡʔʤʜʝʚʝʒʗʗ 
ʞʟʝʔʙʡʗʟʝʑʏʜʗʮʏʠʢʡʞ 
ʠʗʠʞʝʚʫʖʝʑʏʜʗʔʛSCADA-ʠʗʠʡʔʛ 
 
ͳǤͳǤʝ˄˜ˋˈ˒ˑːˢ˕ˋˢˑSCADA-˔ˋ˔˕ˈˏ˃˘ 
 
Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем 
управления и результатами научно-технического прогресса.  
Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, 
передачи, хранения и отображения информации.  
На сегодняшний день SCADA-технология включает: 
1. Инструментальные средства проектирования автоматизированных систем сбора данных и управления. 
2. Проблемно-ориентированный язык проектирования программного обеспечения для автоматизации производства и экспериментальных исследований. 
3. Прикладные системы автоматизации. 
4. Технологии автоматизации производства. 
Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA-системами, полнота и наглядность представляемой на экране 
информации, доступность «рычагов» управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. – повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при 
управлении.  
Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд 
задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки 
проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.  
В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).  
В названии SCADA присутствуют две основные задачи, возлагаемые на 
системы этого класса: 
x  сбор данных о контролируемом процессе; 
x  управление технологическим процессом, реализуемое ответственными 
лицами (диспетчерами) на основе собранных данных и правил (критериев, алгоритмов), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность технологического процесса. 
 
 
 
7 
 

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA 
в системах управления и реализован практически во всех программных пакетах:  
x  автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;  
x  сбор первичной информации от устройств нижнего уровня (с датчиков 
и контроллеров);  
x  обработка и преобразование первичной информации;  
x  управление и регистрация алармов (сигналов об аварийных или нештатных ситуациях) и исторических данных;  
x  хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, 
реализуется через интерфейсы к различным базам данных);  
x  визуализация хода технологического процесса – представление текущей и архивной информации в виде мнемосхем, графиков, гистограмм, таблиц 
и т. п.;  
x  прием команд оператора и передача их для исполнения контроллерам 
устройств сбора данных и исполнительных механизмов; 
x  формирование и печать сводок, отчетов, протоколов о работе оборудования и других отчетных документов; 
x  регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим 
процессом, состоянием системы и действиями персонала; 
x  использование текущей информации для решения задач пользователя; 
x  средства исполнения прикладных программ;  
x  возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как «единое целое» – рецептами («recipe» или «установки»); 
x  организация связи с устройствами, подключенными к информационной 
сети; 
x  обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием; 
x  защита от несанкционированного вмешательства в функционирование 
SCADA-системы и в контролируемый процесс; 
x  самоконтроль и самодиагностика SCADA-системы. 
 
1.2Ǥʝ˄˜ˋˈ˔˅ˈˇˈːˋˢˑSCADA-˔ˋ˔˕ˈˏˈTrace Mode 
 
Программные продукты класса SCADA-систем широко представлены на 
мировом рынке. Наиболее распространенные из них: 
x  InTouch (Wonderware, США); 
x  iFIX (Intellution, США); 
x  Citect (Ci technologies, Австралия); 
x  Trace Mode (AdAstrA Research Group, Россия); 
x  Genesis (Iconics, США); 
x  SIMATIC WinCC (Siemens, Германия); 
x  Factory Link (US Data Corp., США); 
8 
 

x  Sitex (Jade SoftWare, Великобритания); 
x  Real Flex (BJ Software Systems, США). 
В рамках данного проекта для разработки АСУТП была выбрана 
SCADA-система Trace Mode.  
Trace Mode 6 – это программный комплекс, предназначенный для разработки и запуска в реальном времени распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами и решения ряда задач управления предприятием (АСУП). 
Основные возможности Trace Mode: 
• 
 интегрированная инструментальная среда многопользовательской разработки (более 10 редакторов); 
• 
 единый проект для распределенной АСУ (контроль целостности, масштабируемость, отладка и диагностика в реальном времени); 
• 
 автопостроение проекта (каналов для ПЛК/УСО, связей с серверами/ 
/OPC-серверами, импорт/экспорт базы каналов по ODBC); 
• 
 библиотеки драйверов к ПЛК/УСО (2087), алгоритмов обработки данных 
и управления (более 150), графических объектов (1116 изображений и 596 анимированных объектов), комплексные технологические объекты; 
• 
 полная поддержка всех языков стандарта IEC-61131-3;  
• 
 адаптивное регулирование (периодическая или непрерывная подстройка ПИД-регуляторов в автоматическом или полуавтоматическом режиме); 
• 
 мощные средства отладки (отладчики компонентов проекта, средства отладки и диагностики в режиме реального времени); 
• 
 встроенная система горячего резервирования (автоматическое резервирование большинства компонентов, контроллеры с двойным и с тройным 
резервированием, диагностика достоверности сигналов с датчиков, поддержка аппаратного сторожевого таймера и др); 
• 
 собственный генератор отчетов (формирование документов в автоматическом непрерывном режиме); 
• 
 автодокументирование проекта (автоматическая генерация полной отчетной документации по проекту АСУТП); 
• 
 система безопасности (система паролей и прав различных групп пользователей, протоколирование доступа); 
• 
 промышленная база данных реального времени (СУБД реального времени SIAD/SQL 6 с функциями автоматического восстановления поврежденных архивов, динамической оптимизации объема записываемой информации 
в реальном времени, статистическая обработка архивных данных); 
• 
 открытость и связи с СУБД (DDE, OPC, SQL/ODBC, DLL, ActiveX). 
Базовая структура Trace Mode: 
1. TRACE MODE 6 интегрированная среда для разработки и отлад- 
ки приложений АСУТП и АСУП, включающая редакторы графических экран- 
ных форм, программ на языках FBD, SFC, LD, ST, IL, шаблонов документов, 
SQL-запросов, паспортов оборудования (EAM), персонала (HRM), материальных ресурсов (MES). 
9 
 

2. Серверные исполнительные модули SCADA/HMI: 
1) RTM – монитор реального времени – основной сервер реального времени, который осуществляет прием данных с контроллеров, плат ввода/выво- 
да и систем телемеханики через встроенные протоколы, драйверы, OPC- или 
DDE-клиенты (версии МРВ: с автоматическим горячим резервированием, адаптивным регулированием, со встроенным OPC-сервером, GSM-сервером, документированием и др.); 
2) глобальный сервер документирования – предназначен для подготовки 
документов произвольной формы и любой сложности в реальном времени;  
3) выделенный сервер промышленной СУБД РВ SIAD/SQL 6;  
4) глобальный регистратор – выделенный сервер исторического архива;   
5) Микро TRACE MODE – исполнительные модули реального времени 
для установки в контроллеры (версии Микро МРВ: поддерживающие обмен через GSM-интерфейс, коммутируемую телефонную сеть, с адаптивным регулированием, с автоматическим горячим резервированием и др.). 
3. Клиентский исполнительный модуль SCADA/HMI: 
NetLink Light – графическая HMI-консоль для создания дополнительных автоматизированных рабочих мест операторов в распределенной АСУТП 
для визуализации технологического процесса и супервизорного управления. 
Для решения задач АСУП в TRACE MODE 6 интегрирован пакет T-FACTORY. Он включает серверный исполнительный модуль MES/EAM/HRM – сервер T-FACTORY и клиентский исполнительный модуль MES/EAM/HRM – консоль T-FACTORY. T-Factory 6 относится к классу MES-систем (manufacturing 
execution system) и решает такие задачи управления производственным бизнесом, как планирование и контроль исполнения производственных заданий, учет 
производственных затрат, сырья, энергии, производственных и людских ресурсов, расчет себестоимости выпускаемой продукции, материальных балансов, 
контроль отклонения фактических значений этих параметров от нормативов, 
учет и техническое обслуживание производственного оборудования, снижение 
его простоев, учет персонала и т. д. 
Разработка системы контроля и управления в SCADA-системе включает 
следующие этапы:  
x  разработка архитектуры системы автоматизации в целом. На этом этапе 
определяется функциональное назначение каждого узла системы автоматизации;  
x  решение вопросов, связанных с возможной поддержкой распределенной архитектуры, необходимостью введения узлов с «горячим резервированием» и т. п.;  
x  создание прикладной системы управления для каждого узла. На этом 
этапе специалист в области автоматизируемых процессов наполняет узлы архитектуры алгоритмами, совокупность которых позволяет решать задачи автоматизации; 
 
 
10