Grigorev_L.I._Avtomatizirovannoe_dispetcherskoe_upravlenie_tehnologicheskimi_processami
.pdfловек-машина» стала объектом пристального изучения с сере
дины ХХ века, в период интенсивного развития авиации, атом
ной энергетики; активно развивается инженерная психология, идет становление эргономики. Но только сейчас начинают со
здаваться основы теории диспетчерского управления. Только сей
часпотому что этому <<Сейчас» предшествовало бурное разви тие кибернетики (начиная с основополагающей работы Н. Ви
нера «Кибернетика или управление и связь в животном и маши
не>>, 1948 г.) и информатики (с последней четверти прошлого
века).
За годы эволюции человекомашинных систем управления про
изошла интеграция кибернетических и информационных про
цессов. Практическим результатом этой интеграции является по
явление концепции SСАDА-систем. SCADA - аббревиатура
Supervisory Control And Data Acquisition, т.е. система диспетчерско
го управления и автоматического сбора данных. Это система ав
томатизированного управления сложными динамическими
объектами, системами (процессами) в жизненно важных и кри
тичных, с точки зрения безопасности и надежности, областях. Благодаря SСАDА-системе осуществляется процесс сбора ин формации реального времени с контролируемых параметром (объектов) для обработки, анализа и возможного управления
удаленными объектами. Вся информация, т.е. необходимые со общения и данные, поставляется на центральный интерфейс
диспетчера. Поэтому, исходя из задачи интеграции данных и цен трализации управления, структура SСАDА-системы включает такие базовые компоненты, как:
удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи
(управление) в режиме реального времени (Remote Terminal
Unit- RТU);
-диспетчерский пункт управления (Master Terminal UnitMTU либо Master Station - MS), т.е. главный терминал, на котором осуществляется обработка данных и управление
высокого уровня, как правило, в режиме квазиреального
вре'-iени; одна из основных функций - обеспечение ин терфейса (ММ!) между человеком-оператором и систе
мой, т.е. получение данных о состоянии удаленных техно
логических абонентов и обеспечение диспетчера полным графическим контролем работы технических средств сис
темы;
10
- коммутационная система, или каналы связи ( Communication Systems- CS), которая необходима для передачи данных с
удаленных точек (объектов, терминалов) на отдельный ин
терфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управ
ления на RTU.
Задачи управления на нижнем уровне: прием и первичная обработка информации от датчиков; формирование и вьщача
управляюшик воздействий на исполнительные механизмы в со
ответствии с заданным алгоритмом; буферизация контролируе
мых параметров; диагностика основного и дополнительного обо
рудования системы; обмен информацией с верхним уровнем си
стемы.
Задачи управления на верхнем уровне: прием информашш с
нижних уровней; вторичная обработка информапии; сохранение
информашш в архивах:; графическое представлеЮiе принятой и
архивной информации; прием команд оператора и передача на нижние уровни системы; оповещение персонала об авариях; фор
мирование отчетных документов; обмен информапией с АСУП
предприятия.
В настоящее время имеется большое число самых разнообраз ных реализаций систем супервизорнога управления (типа SCADA
или DCS), которые стали неотъемлемой составной частью авто
матизированных ИУС.
Объект отдалился от диспетчера как лица, принимаюшего ре шения (ЛПР). Решение ряд задач, решаемых в этой системе, пере
шло с уровня автоматизированного управления на уровень авто
матического управления. Но обшее число задач не уменьшается, так как начинают добавляться новые задачи, в частности, задачи
экологии и др.
Управление технологическими процессами и предприятиями
осуществляется на трех уровнях иерархии (рис. 3):
-управление ПХД;
-автоматизированное диспетчерское управление;
-уровень автоматического (и в том числе) дистанционного
управления.
На уровне диспетчерского управления осушествляются два
важных д:IЯ управления процесса: централизация и интеграция.
Тенденпия к переходу на малолюдные технологии при управле
нии локальными объектами определяет новые требования и за дачи к уровню диспетчерского управления. Эrо создание на уровне
11
организапионно, большое практическое значение приобрета
ет решение проблем обеспечения этой интеграции информа
пионными системами и средствами автоматизапии управле-
ния.
Диспетчерское управление занимает промежуточное место в
иерархии управления (рис. 3), что определяет особенности этого
вида управления. Диспетчерские службы, с одной стороны, осу
шествляют интеграпию информапии и пентрализапию решений
по управлению технологическими пропессами, а с другой,- орга
низуют взаимодействие со службами, реализуюшими управление
пхд.
Системные аспекты развития АСДУ
Выявление наиболее важных проблем в области автоматиза
ции и управления технологическими пропессами и производ
ствами невозможно без системного анализа динамики развития
этих пропессов. Время играет огромную роль в развитии и про
пессах совершенствования. Проблеме времени посвяшено много
исследований и, конечно, афоризмов: <<Время - движушееся по добие вечности» (Платон); <<Время - ткань, из которой состоит
ЖJfЗНЬ» (Бенджамин Фраклин).
<<Проблема времени•>, - такой ответ дал известный ученый, лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин на вопрос о том, что является основным объектом исследований в его ЖJfзни. Тол кование времени, данное И. Приrожиным, и раскрытие пропессов
формирования новых структур, самоорганизации, эволюпионно го развития, фазовых переходов являются наиболее близкими к рассматриваемым проблемам.
В качестве примера эволюции рассмотрим такой объект неф тегазовой отрасли, как транспорт газа. Рожцение газопровода Са ратов-Москва относится к 1944 г. За прошедuшй период изме нился объект управления, изменялась система упрамения. Но если
изменения за последние годы, касаюшиеся объеiсrа управления,
незначительны, то динамика развития автоматизапии и, в частно
сти, АСДУ весьма сушественна. Это определено как НТП, так и постоянным бизнес-прессингом рыночных отношений.
Объект управления (трубопроводные системы и, в частности, ГТС - газотранспортные системы) достаточно изучен, чего нельзя
сказать о системе управления <•диспетчер-ИУС».
13
Основой оперативного диспетчерского упрамения (ДУ) ре жимом ПС является выполнение функций контроля и регулиро
вания поступления и распределения газа, а также обеспечение
технологического режима транспорта и распределения заданных
количеств газа с минимизацией затрат, энергетических или сто
имостных, с учетом технологических ограничений и фактора на
дежности. Выполнение этих функций связано с получением и
обработкой больших объемов информации и решением ряла тех
нологических задач.
В классическом определении сложных систем как систем, со
стоящих из большого числа элементов, взаимосвязанных и взаи
модействующих между собой, на начальном этапе развития сис
темного анализа акцент делалея на размерность сложных сис
тем, и мало внимания уделялось взаимодействию и взаимосвязи
элементов, интеграционным проuессам, формированию новых
структур.
По закону Эшби, система управления не может быть проше, чем управляемый объект. В настоящее время оценка, характеризу
ющая сложность системы управления, существенно выросла, так
как между объектом и диспетчером появилось большое число эле
меiПов, устройств и систем автоматизации, связи и вычислитель ной техники.
Вначале основным объектом управления являлись отдель ные газоперекачиваюшие агрегаты (ГПА) и линейные участ ки (ЛУ) магистральных газопроводов (МГ) с крановыми пло
щадками. Со временем объектом управления становятся комп рессорные цеха (KU), компрессорные станции, линейные про изводственные управления (ЛПУ). В настоящее время в каче стве объекта управления рассматриваются МГ, ГТС, отражаю
щие региональные газотранспортные сети и, наконец, ЕСГ Рос
сии в целом.
Задачей автоматизации на начальном этапе развитияДУ ямя лосъ создание САУ ГПА, управление крановыми площадками на
ЛУ газопровода, т.е. формировалась основа автоматического уп
рамения базовыми объектами газопровода. Со временем задачи
автоматизации существенно расширились, и поворотным момен
том в формировании качественно новой технологии ДУ следует считать внедрение SСАDА-систем.
Дальнейшее развитие и автоматизация ДУ транспорта газа
связано с поЯRJiением новых подсистем, т.е. новых структур, по-
14
рожденных действием интеграционных процессов. Толкование
интеграционных процессов уместно проводить на основе синер
гетическоrо подхода.
Термином «синергетика~ подчеркивается прющипиальная роль
коллективных, кооперативных взаимодействий в возникновении
и поддержании процессов самоорганизации в различных откры
тых системах.
Основным объектом синергетики являются природные систе
мы, но ее методы и подходы позволяют выявить на качественном
уровне основные механизмы формирования новых структур в
сложных организационно-экономических, технических и соци
альных системах.
Иерархическая структура АСДУ определяет базовое положе
ние самоорганизации в сложных системах, где немногие перс
менные макроскопического уровня обладают коллективными
свойствами динамики, происходящей на микроскопическом уровне. Алгоритмическое понятие сложности дополняется структурной
сложностью, которая характеризует взаимосвязанность перемен
ных. Структурная сложность алияет на управляемость системы, и
управляемость вступает в конфликт с устойчивостью. То есть, чем
меньше взаимосвязь элементов, тем система устойчивее, но при
этом снижается управляемость системы. Интеграционные процессы
становятся определяютими в развитии и самоорганизации слож
НЪIХ систем управления. Приобретает актуальность проблема сис темной интеграции.
АСДУ можно классифицировать как организационно-техни ческие системы. Эволюционное развитие систем ДУ - это путь от
телефона как основного средства коммуникации до современной дисnетчерской, имеюшей мошныевычислительные средства, объе
диненные локалъньL\1И вычислительными сетями (ЛВС); программ
ные системы; СУБД; средства связи и многое другое. Это новые
диспе"Nерские задачи и, соответственно, новые подсистем:ы. Все это
формировалось во времени как результат динамичного развития.
Интеграция - сторона процесса развития, связанная с объе динением в целое ранее разнородных частей и элементов. Про
цессы интеграции динамичны и происходят как в рамках уже
сложившейся системы (в этом случае они ведуr к повышению
уровня ее целостности и организованности), так и при возниюю
вении новой системы из ранее не связанных элементов. В ходе процессов интеграции в системе увеличивается объем информа-
15
-интеграция в рамках АСУТП (централизация ДУ, т.е. фор мирование единой АСУ от решения задач автоматического
упрамения к задачам диспетчерского упрааления с оцен
ками критериев функционирования АСДУ согласно постав
ленным целям);
-интеграция АСУТП и АСУ ПХД.
На основе анализа современного состояния системы «диспет чер-ИУС>> предложено следующее определение диспетчерского
управления:
«АСДУ - это неоднородная (человекомашинная) система
управления технологическим процессом, интегрирующая на АРМе
диспетчера профессиональные знания диспетчера с информа
ционно-управляющей системой (ИУС), обеспечивающей автома
тический сбор, передачу и отображение информации, а таюке ав томатизирующей все требуемые расчетные nроцедуры и выnол
нение управляющих воздействий для достижения поставленной
цели в соответствии с заданными критериями>>.
Развитие интеграционных функций - это неизбежный путь
соверiUенствования средств и систем автоматизации процессов
управления.
В области технического обеспечения появился своего рода стан
дарт диспетчерской - это ряд вычислительных машин, объеди ненных ЛВС, серверы, проекционное устройство, маршругизато
ры и др.
В области информационного обеспечения интеграция инфор мации осуmестмяется с помощью баз данных, SСАDА-систем. Эти два средства объединили всю имеющуюся информацию для хранения и оперативного контроля; SСАDА-система объединила имеющуюся на удаленных объектах информацию в единую сис
тему и предоставила диспетчеру для текущего контроля.
Проблему качества следует решать, ориентируясъ на систему международных стандартов (lSOj ТЕС), в том числе на стандарт
15288, используя преимущества системной инженерии. В целом,
качество обеспечивается применением информационных техно логий как по этапам жизненного цикла, так и по фазам управле
ния технологическим процессом.
РеiUение nроблемы системной интеграции связано с пре емственностью программно-технических и других решений как во времени, так и на всех уровнях иерархической структуры АСДУ. Принuип системной интеграции рекомендуется реа-
17
лизовать, руководствуясь следующими положениями и подхо
дами.
!> Системный анализ. Это методологическая основа прини
маемых решений; отражает комплексный и динамический харак тер рассмотрения объектов управления.
!> Интегрированные показатели. К наиболее важным интег
рированным криrериям ДУ следует отнести критерии экономи
ческого и экологического характера, а также nоказатель надеж
ности автоматизированного ДУ. Каждый из этих критериев дол
жен иметь на любом уровне иерархии соответствующий число
вой показатель и агреrироваться от уровня к уровню.
!> Объектно-ориентированное проектирование (ООП). Осо
бенность ООП состою, с одной стороны, в индустриализации раз работки прикладною программнаго обеспечения, а с другой, - в
объединении этапов разработки математического и программ
наго обеспечения.
!> Информационные технологии. Эrо базовые средства; раз нообразие ИТ (СУБД, локальные и глобальные сети, пакеты при кладных программ, электронные таблицы, САSЕ-технологии, SСАDА-системы и др.) позволяет практически автоматизиро вать все этапы работы с информацией: сбор, передача, обработка,
представление и др.
[> Принцип открытости. Отражает индустриальный характер современного этапа развиrия информатики и базируется на двух
моделях:
-семиуровневая модель протоколов передачи данных (OSI)
между системами с различным вычислительным оборудо
ванием и различными станцартами протоколов;
-модель открытых компьютерных систем (OCS), использую
щих общие или совместимые компоненты и обеспечиваю l.ЩD{ свойства совместимости, масштабируемости, переноси
мости и взаимодействия.
Практически речь идет о стыковке с ломашью интерфейсов и протоколов всех компонентов в сетевой архитектуре многоуров
невой системы управления. Это информационная сеть Ethernet с протоколом ТСР/JP; промьшиенные сети (управляющие и поле
вые) с протоколами Modbus, Genius, Projibus, Hart и др.; зто стан
дарт ОРС, обеспечивающий обменснезависимыми приложени ями. Для обмена меж,цу диспетчерскими пентрами принят еди ньiЙ стандарт EDIGAS.
18