Автоматизированные системы управления технологическими процессами тепловых электрических станций

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
А.И. ДВОРЦЕВОЙ, О.К. ГРИГОРЬЕВА, 
Е.Е. БОЙКО 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ 
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ 
ПРОЦЕССАМИ  
ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
СТАНЦИЙ 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета 
 в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.311.22-52(075.8) 
   Д 245 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук А.Г. Русина 
канд. техн. наук А.А. Францева 
 
 
Работа подготовлена кафедрой тепловых электрических станций 
по дисциплине «Автоматизированные системы управления технологическими процессами тепловых электрических станций» 
для магистрантов I курса ФЭН (направление 13.04.01) 
 
 
 
Дворцевой А.И. 
Д 245  
Автоматизированные системы управления технологическими 
процессами тепловых электрических станций: учеб. пособие / 
А.И. Дворцевой, О.К. Григорьева, Е.Е. Бойко. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2020. – 76 с. 

ISBN 978-5-7782-4202-9 

Рассмотрены вопросы о жизненном цикле автоматизированных систем, представлены компоненты автоматических систем регулирования 
и приведены типовые схемы регулирования технологических процессов котла на тепловых электрических станциях. 
Учебное пособие написано в соответствии с образовательной программой дисциплины «Автоматизированные системы управления технологическими процессами тепловых электрических станций» и предназначено для студентов-магистрантов I курса ФЭН. 
 
УДК 621.311.22-52(075.8) 

ISBN 978-5-7782-4202-9 
© Дворцевой А.И., Григорьева О.К.,  
 
    Бойко Е.Е., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Перечень сокращений .............................................................................................. 4 
Введение ................................................................................................................... 5 
Глава 1. Этапы создания АСУ ТП ...................................................................... 7 
1.1. Обобщенный жизненный цикл проектирования АСУ ТП ...................... 8 
1.2. Жизненный цикл стадии «Технический проект» ................................... 10 
1.3. Основные сложности внедрения АСУ ТП .............................................. 16 
Выводы .............................................................................................................. 18 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 19 
Глава 2. Схемы автоматизации ......................................................................... 20 
2.1. Назначение схем автоматизации .............................................................. 20 
2.2. Правила чтения схем автоматизации....................................................... 23 
Выводы .............................................................................................................. 30 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 31 
Глава 3. Типовые схемы автоматизированных систем управления (АСР) ........ 32 
3.1. Одноконтурные схемы АСР ..................................................................... 33 
3.2. Многоконтурные схемы АСР ................................................................... 37 
3.3. Каскадные схемы АСР .............................................................................. 39 
3.4. Структурная схема промышленного импульсного регулятора ............. 42 
3.5. Характеристики работы АСР ................................................................... 48 
3.6. Методы настройки АСР ............................................................................ 53 
Вывод ................................................................................................................ 55 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 55 
Глава 4. Основные системы управления  технологическими процессами котла ....................................................................................... 56 
4.1. Автоматическая система регулирования процессов горения ................ 57 
4.2. Автоматические системы регулирования пароводяного тракта 
котлоагрегата ............................................................................................. 67 
Вывод ................................................................................................................ 73 
Контрольные вопросы ..................................................................................... 73 
Заключение ............................................................................................................. 74 
Библиографический список .................................................................................. 75 

 
 
 
 
 
 
 

Перечень сокращений 

АСУ 
Автоматизированная система управления 
АСУ ТП 
Автоматизированная система управления технологическими процессами 
АРМ 
Автоматизированное рабочее место 
АСР 
Автоматическая система регулирования 
БРУ 
Блок ручного управления 
БУ 
Блок усиления 
ВУ 
Верхний уровень 
ДВ 
Дутьевой вентилятор 
ДС 
Дымосос 
ЗИП 
Запасные инструменты и принадлежности 
ИМ 
Исполнительный механизм 
ИБП 
Источник бесперебойного питания 
НА 
Направляющий аппарат 
НИР 
Научно-исследовательская работа 
НУ 
Нижний уровень 
ПЛК 
Программируемый логический контроллер 
ПТК 
Программно-технический комплекс 
РО 
Регулирующий орган 
РПК 
Регулирующий питательный клапан 
ТЭС 
Тепловая электрическая станция 
ТЗ 
Техническое задание 
ТП 
Технологический процесс 
УСО 
Устройство связи с объектом 
ШИМ 
Широтно-импульсный модулятор 

Введение 

В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы о работе 
автоматизированных систем управления применительно к тепловым 
электрическим станциям. 
На сегодняшний день автоматизированные системы управления 
технологическими процессами на ТЭС являются сложными распределенными многоуровневыми системами, в работе которых задействован 
человек. Алгоритмические и технические составляющие автоматизированных систем постоянно совершенствуются. 
Развитие АСУ ТП можно разделить на четыре основных поколения. 
Первое поколение (1950-е годы) – характеризуется автоматизацией 
отдельных узлов технологических процессов, поддержанием нескольких параметров. В основном регулирование выполнялось за счет импульсного воздействия на определенный участок технологического 
процесса.  
Второе поколение (1970-е годы) – характеризуется автоматизацией 
групп технологических процессов, систему управления можно считать 
распределенной. Состояние одного технологического процесса может 
влиять на состояние другого. Это достигается за счет применения интегральных микросхем. Появляется возможность дистанционного 
управления технологическими процессами. 
Третье поколение (1990-е годы) – благодаря развитию микропроцессорной техники процесс разработки и внедрения автоматизированных систем значительно упростился за счет стандартизации и унификации. Все наработанные решения на предыдущих этапах были 
перенесены на микропроцессорную базу. Новое поколение вычислительной техники позволило организовать более точное регулирование, 

увеличить скорость обработки информации, решать новый класс задач, 
таких как оптимизация и прогнозирование [1]. 
Начиная с 2015 года можно выделить четвертое поколение развития автоматизированных систем управления, так как используются новые подходы к управлению технологическими процессами. На предыдущем этапе информация о состоянии технологических процессов 
собиралась в локальных базах данных предприятия и только агрегированная информация передавалась в смежные информационные системы. Например, технико-экономические показатели передавались в  
автоматизированную систему управления предприятием. На сегодняшний день с увеличением пропускной способности, надежности, 
безопасности каналов передачи данных и снижением стоимости хранения данных появляется возможность передавать данные о состоянии 
технологических процессов с высокой частотой за пределы предприятия. Такой подход позволяет решать задачи оптимизации и прогнозирования режимов работы сразу нескольких предприятий дистанционно. 
Снижение стоимости и повышение производительности микропроцессорной техники дает возможность оснащать конечные устройства измерения и управления вычислительными и приемо-передающими 
устройствами. 
В совокупности все вышеописанные процессы заставляют заново 
пересмотреть ранее наработанные решения при построении и эксплуатации автоматизированных систем. В настоящее время на тепловых 
электрических станциях эксплуатируются автоматизированные системы различных поколений. Возможны ситуации, когда на одной станции на разных блоках работают системы управления второго и третьего поколения. Современный уровень развития программно-аппаратных 
решений позволяет интегрировать системы управления различных поколений в единую систему управления. 
В настоящем пособии дано представление о жизненном цикле автоматизированных систем. Рассматриваются вопросы организации 
управления технологическими процессами с применением средств автоматизации, приведены описание компонентов автоматических систем регулирования и принципы их работы. Эта информация будет 
полезна студентам, изучающим вопросы, связанные с централизованным производством тепла и электроэнергии. Изложение материала 
подразумевает, что читатель уже знаком с основными технологическими процессами ТЭС. 

Глава 1. Этапы создания АСУ ТП 

Процесс создания АСУ ТП – это прежде всего командная работа. 
Технологические процессы на ТЭС носят разнообразный характер и 
требуют от команды проектировщиков знания о процессах горения, 
тепломассообмена, преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала турбины, о конструктивных особенностях оборудования и т. д.  
Для успешной реализации проекта требуются специалисты смежных специальностей. К основным разработчиками АСУ ТП относятся: 
 технологи, знающие оборудование и технологические процессы, 
которые способны описать его функционирование, граничные условия 
работы;  
 разработчики ПТК, компетентные в создании современных систем управления, умеющие работать с аппаратной частью (средствами 
вычислительной техники), владеющие соответствующими программными средствами; 
 проектировщики, обладающие всей исходной информацией об 
объекте управления и режимах его работы, характеристиках оборудования и его размещении, занимающиеся выбором периферийных 
устройств системы управления, его размещением и связью с технологическими процессами. 
В создании АСУ ТП помимо разработчиков участвуют заказчик, 
монтажники и наладчики. Основные участники по созданию АСУ ТП 
представлены на рис. 1.1. 
Для успешного взаимодействия основных разработчиков АСУ ТП 
требуется их конструктивное взаимодействие, которое возможно при  

АСУ ТП 

Заказчик 
Технологи 

Проектировщики 

Разработчики ПТК 

Монтажники 

Наладчики 

 
Рис. 1.1. Участники создания АСУ ТП 

условии понимания основных этапов проектирования, протекания технологических процессов, базовых принципов работы элементов автоматизированной системы. Важно, когда каждый участник знает зоны 
своей ответственности, качественно и в срок выполняет свою работу. 

1.1. Обобщенный жизненный цикл проектирования 
АСУ ТП  

Рассмотрим описание основных этапов жизненного цикла автоматизированной системы согласно ГОСТ 34.601–90 [2]. 
1. Формирование требований. На данном этапе выполняется обследование и обоснование необходимости создания автоматизированной системы специалистами-проектировщиками. После обследования 
и сбора исходных данных оформляются требования заказчика к создаваемой системе. 
2. Разработка концепции. Специалисты-проектировщики анализируют исходные данные об объекте автоматизации и требования к 
создаваемой системе. При необходимости выполняются научно-исследовательские работы. Разрабатывается и анализируется несколько 
вариантов концепции системы. Обосновывается выбор одного  
из предложенных вариантов, который удовлетворяет требованиям 
заказчика. 
3. Техническое задание (ТЗ). Специалисты-проектировщики и 
технологи разрабатывают техническое задание, в котором описываются основные требования к автоматизированной системе. 
4. Технический проект. Специалисты-проектировщики и технологи разрабатывают проектные решения по системе в целом и ее частям, 

оформляют проектную документацию, формируют документацию на 
поставку комплектующих изделий. 
5. Рабочая документация. На данном этапе специалистыпроектировщики, технологи и разработчики ПТК формируют рабочую 
документацию. Она необходима во время эксплуатации АСУ. 
6. Ввод в действие. Перед внедрением автоматизированной системы объект управления и персонал подготавливаются. После этого объект автоматизации комплектуется программными и техническими 
средствами (ПТК). Затем производятся необходимые строительномонтажные работы специалистами-монтажниками, которые устанавливают периферийную аппаратуру, программно-технический комплекс. За пусконаладочные работы отвечают специалисты-наладчики, 
осуществляющие подключение и настройку смонтированного оборудования. Далее производятся предварительные испытания отдельных 
узлов автоматизированной системы. После прохождения предварительных испытаний проводится опытная эксплуатация автоматизированной системы совместно с представителями заказчика и проектной 
организации. Затем проводятся приемочные испытания, где проверяется соответствие требованиям заказчика спроектированной автоматизированной системы. 
7. Сопровождение автоматизированной системы. На этом этапе 
выполняется гарантийное и послегарантийное обслуживание.  
На этапах формирования требований разработки концепции и технического задания, проектирования, в которую входит создание проектной и рабочей документации, выполняется декомпозиция сложной 
технической задачи, такой, например, как создание автоматизированной системы. Под этапом «Изготовление АСУ ТП» понимается закупка серийно выпускаемых изделий и изготовление изделий под заказ. 
На последующих этапах производится сборка автоматизированной системы, тестирование и отладка с последующей сдачей в промышленную эксплуатацию. Причем на этапах сборки осуществляется проверка 
на соответствие заложенным требованиям, при необходимости выполняется корректировка проектной и рабочей документации. Под интеграцией понимается сопряжение спроектированной автоматизированной системы с существующими информационными системами 
предприятия. 
На практике некоторые стадии из ГОСТ 34.601–90 исключаются 
или объединяются. Для нестандартных технологических процессов 

или при реализации новых подходов к управлению технологическими 
процессами выполняются НИР. При разработке систем управления для 
типовых технологических процессов такие этапы, как «Технический 
проект» и «Рабочая документация», могут объединяться, а выполнение 
НИР может не выполняться. Такое упрощение на жизненном цикле 
АСУ ТП имеет смысл при проектировании системы, у которой имеются схожие аналоги. Рассмотренный жизненный цикл АСУ ТП представлен на рис. 1.2. 
 

Формирование 
требований 

Разработка 
концепции и ТЗ 

Проектирование 

Изготовление  
АСУ ТП 

Автономные 
испытания узлов  
АСУ ТП

Пусконаладочные 
работы 

Испытания, 
интеграция 

Промышленная 
эксплуатация 

Проверка проектных решений 

Проверка на соответствие ТЗ 

Проверка на соответствие  
требованиям 

 
Рис. 1.2. Жизненный цикл АСУ ТП 

1.2. Жизненный цикл стадии «Технический проект» 

Рассмотрим основную стадию при создании АСУ ТП – «Технический проект». Часть проектных документов позволяет взаимодействовать специалистам смежных специальностей: технологам, автоматчикам, электрикам. Данная стадия наступает, когда определена 
концепция создаваемой системы, собраны исходные данные об объекте автоматизации и составлено техническое задание. Рассмотрение основных проектных документов изложено последовательно по мере их 
формирования. 

Схемы автоматизации 

Одними из базовых проектных документов являются схемы автоматизации. Они считаются основными проектными документами, 
определяющими структуру и уровень автоматизации технологических 
процессов. 
Схемы автоматизации представляют собой чертежи, на которых 
при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, приборы, средства автоматизации. На рис. 1.3 показана типовая схема автоматизации, которая 
представляет 
собой 
технологический 
процесс, 
которым 
регулируется расход среды за счет регулирующей арматуры. Задача 
схем автоматизации – это принципиальное представление технологического процесса и объема автоматизации. Правила чтения схем автоматизации будут рассмотрены в главе 2. 
 

FT 

FIC

PY 

трубопровод
Трубопровод 

 
Рис. 1.3. Пример схемы автоматизации: 

FT – расходомер; FIC – регулятор расхода; PY – привод 

На основе схем автоматизации разрабатываются следующие проектные документы: спецификации периферийных устройств, установочные чертежи, схемы трубных соединений, схема монтажа, спецификации входных и выходных сигналов, структурная схема ПТК, 
видеокадры мнемосхем. 
Детальная проработка схем автоматизации с автоматчиками и согласование с технологами – это основа качественной разработки последующих проектных документов по созданию АСУ ТП.