Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. Том 1


Ю.Н. Федоров





                Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка





2-е издание


Учебно-практическое пособие В двух томах




1ТОМ






Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2016

УДК (665.6/.7:681.5).002.2
ББК 35.514: 32.965
   ФЗЗ

Рецензенты:
Э.Л. Ицкович - доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией Института проблем управления РАН
Л.Р. Соркин - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Московского физико-технического института

   Федоров Ю.Н.
Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка.
Учебно-практическое пособие. 2-е изд.,- В 2-х т.- Том 1.- М.: Инфра-Инженерия, 2016. - 448 с.

ISBN 978-5-9729-0122-7

     Справочник задает систему базовых определений и требований, выполнение которых реализуется в правилах создания АСУТП. Даются рекомендации по выбору архитектуры автоматизированных систем управления и защиты технологических процессов. Последовательно определяется состав и распределение работ по созданию АСУТП, устанавливается состав и содержание проектной документации.
     Достоинством книги является её практическая направленность. Процедуры выполнения работ по проектированию и разработке АСУТП, рекомендации по учету особенностей проектирования систем защиты технологических процессов окажут методическую помощь всем, кто связан с этими проблемами - от разработчиков систем, до руководителей предприятий. Вместе с тем, книга может использоваться в качестве учебного пособия для преподавателей и студентов высших и средних специальных учебных заведений соответствующих специальностей.
     Представленная в работе методология создания АСУТП является шагом к разработке современных отечественных стандартов промышленной автоматизации, согласованных с международным опытом.

ББК 35.514: 32.965
ISBN 978-5-9729-0122-7



© Ю.Н. Федоров, автор, 2016
© Инфра-Инженерия, 2016

Предисловие

3

Произведения всех действительно даровитых голов отличаются от остальных характером решительности и определённости, и вытекающими из них отчётливостью и ясностью. Ибо такие головы всегда определённо и ясно сознают, что они хотят выразить, -всё равно, будет ли это проза, стихи или звуки. Этой решительности и ясности недостаёт прочим, и они тотчас же распознаются по этому недостатку. Характеристический признак первостепенных умов есть непосредственность всех их суждений и приговоров. Всё, что они производят, есть результат их самособственного мышления, который повсюду обнаруживается как таковой уже в самом изложении.
Артур Шопенгауэр,
Максимы: О самостоятельном мышлении


ПРЕДИСЛОВИЕ

    В настоящей работе предлагается система правил создания АСУТП на основе авторского опыта проектирования, разработки, внедрения, эксплуатации и сопровождения АСУТП с максимально возможным учетом существующей отечественной нормативной базы. Даются точные определения ключевых понятий, без знания и понимания которых невозможно приступить к результативному созданию системы:
    •  Определение стадий и этапов создания АСУТП;
    •  Определение состава организаций-участников проекта создания АСУТП;
    •  Определение состава документации технического и рабочего (технорабочего) проектов;
    •  Определение требований и ограничений, имеющих решающее значение при создании надежных и безопасных систем управления и защиты.
    Центральная часть книги посвящена жизненно важным аспектам построения АСУТП - формализации основных стадий создания АСУТП, разработке и оформлению проектной документации, - то есть комплексному и корректному проведению проектных и инженерных работ. Определяется состав и распределение работ по созданию АСУТП, приводятся образцы конкретной проектной и эксплуатационной документации технического и рабочего (технорабочего) проектов АСУТП. В две самостоятельные главы выделена часть проектной документации, посвященная стадиям, определяющим начало и завершение проекта создания АСУТП.

Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка

    Отработанный на опыте практической реализации на многих технологических объектах образец "Технического задания на создание АСУТП" стал непосредственной основой при создании ряда АСУТП разного масштаба. Приводится "Программа и методика испытаний" с полным комплектом документов, необходимых при оформлении и утверждении результатов опытных и промышленных испытаний системы.
    Исключительное по важности значение имеет изучение международных подходов к промышленной безопасности. Вместе с тем, исследование современных западных стандартов безопасности ANSI/ISA 84.01-96, DIN V 19520, V VDE 0801, IEC 61508, IEC 61511 приводит к определению границ применимости предлагаемых методик. Наиболее серьезным пробелом стандартов МЭК, - ив этом с автором солидарны ведущие западные эксперты, - является полное отсутствие оценок вероятности ложного срабатывания систем управления и защиты. Общие решения для систем произвольной архитектуры - и для вероятности опасного отказа, и для ложного срабатывания, - представлены в настоящей работе.
    Здесь же делается анализ соответствия отечественных категорий взрывоопасности, и зарубежных классов (Requirement. Class - RC, AnforderungsKlasse - АК) по немецким стандартам DIN, и уровней безопасного допуска (Safety Integrity Level -SIL) по американским стандартам ISA, и по стандартам Международной электротехнической комиссии (IEC). Даются конкретные рекомендации по выбору архитектуры систем управления и защиты технологических объектов.
    Самостоятельное значение имеет решение проблемы идентификации параметров АСУТП - проблемы, созданной на многие годы никудышным ГОСТом 21.404-85 "Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах". На основе анализа существующих стандартов и методик предлагается система идентификации, которая отличается согласованностью и целесообразностью решений. Приводятся подготовленные к практическому использованию библиотеки символьных и графических элементов монтажно-технологических и функциональных схем автоматизации.
    Можно много рассуждать о том, насколько представительны проектные оценки надежности автоматизированных систем. Однако будучи проведенными по единым методикам,

Предисловие

5

эти расчеты вполне позволяют сопоставить характеристики надежности различных конфигураций оборудования. Поэтому требование проектной оценки надежности системы должно стать обязательным компонентом Технического задания на создание АСУТП.
ИЕРАРХИЯ УРОВНЕЙ УПРАВЛЕНИЯ

Уровень усовершенствованного упоавления процессом

Уровень защиты

    По независимым оценкам фирм Honeywell и Yokogawa, экономический эффект от внедрения пакетов усовершенствованного управления составляет от 40% до 60% в общей доле прибыли от внедрения комплексных автоматизированных систем управления производством, со сроком окупаемости 6-12 месяцев. Невостребованность современных методов управления в лучшем случае низводит процесс создания АСУТП до тривиальной модернизации, не привнося никаких существенных улучшений.
    Однако без современных средств КИПиА, без надежной системы базового управления и защиты невозможно перейти к реализации функций управления более высокого порядка.
    Поэтому необходимо иметь дело с такими компаниями, которые могут выполнить весь спектр работ, подтвержденный

на аналогичных производствах, и ориентироваться на долговременное сотрудничество. Успешно работающие предприятия - это успешно организованные предприятия, - от определения начальных условий, до сопровождения системы.

Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка

ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

    И если мы делаем правильный выбор, то результат практически предопределен. Можно даже сказать, что происходит инверсия действий по управлению проектом:
    ■  Если начальные условия верны, то управление проек        том сводится к тому, чтобы предотвращать действия, способные нарушить нормальный ход проекта.
    ■  И наоборот: неверный изначальный выбор приводит к тому, что весь проект будет связан с поиском решений, способных хоть как-то спасти проект, и с постоянной угрозой провала. И никаких перспектив перепрыгнуть через барьер примитивной самозащиты.
    Появление международных стандартов безопасности, определяющих особые требования к проектированию и конкретной реализации систем управления и защиты, связано с всё большим усложнением и технологических процессов, и средств автоматизации, и соответствующим увеличением риска и масштабов аварий на производстве.
    Всё, что способно снизить уровень этих требований, должно рассматриваться как проявление легкомыслия и с профессиональной, и с социальной точки зрения, и с позиции коммерческих интересов.

Глава 1. Постановка задач автоматизации

7



            Глава 1


    ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Область определения

    В данной работе рассматриваются ключевые аспекты автоматизации технологических процессов, которые существенно пересекаются с проблемами развития отечественной нормативной базы (рис. 1.1). Работа является непосредственной основой для разработки:
    • Стандартов предприятия по промышленной безопасности;
   •  Стандарта предприятия по созданию АСУТП;
   •  Технического задания на создание АСУТП;
    • Комплекса технической и рабочей документации АСУТП;
   •  Программ и методик приемо-сдаточных испытаний.

1.2. Статистика причин инцидентов и аварий

    По данным Инспекции по охране труда и здоровья HSE (Health Safety Executive), Великобритания, около 50% всех неприятностей, связанных с системами управления технологическими процессами, предопределяются ошибками спецификации (рис. 1.2). В отечественной практике постановку задач автоматизации и конкретные требования к системе управления и защиты технологического процесса определяет Техническое задание на создание АСУТП. Неформальное отношение к разработке ТЗ имеет исключительно важное значение для будущей системы: ни с того ни с сего кирпич на голову никому не упадет.

Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка

Область действия настоящего руководства в общей иерархии стандартов

Рис. 1.1

Глава 1. Постановка задач автоматизации

9

Пуско-наладка и приемка 6%

Проектирование и внедрение 15%

системы 44%

Эксплуатация и обслуживание 15%

Текущие изменения системы 20%

Рис. 1.2

    Однако Техническое задание охватывает только часть жизненного цикла системы - от первоначальной концепции до приемо-сдаточных испытаний. Принципы существования систем автоматизации в течение всего жизненного цикла в соответствии с диаграммой рис. 1.1 должны регламентироваться:
    •  Специфическими стандартами предприятия
    •  Отраслевыми стандартами
    •  Государственными стандартами
    •  Международными стандартами.

1.3. Общие положения

    Современный подход к автоматизации заключается в формировании автоматизированных систем управления и защиты как главного элемента единой системы защиты процесса. Классическая система управления технологическими процессами (АСУТП) в самом общем виде объединяет в себе два взаимосвязанных компонента:
    •  Система ПротивоАварийной Защиты - ПАЗ
    •  Распределенная Система Управления - РСУ.
    При непосредственном выборе и проектировании программно-технического комплекса часто рассматривается только центральная часть системы - основное оборудование АСУТП. При этом совершенно упускается из виду общая надежность контуров управления и защиты - функций безопасности, - начиная от датчиков, и заканчивая исполнительными устройствами.

Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка

    Современные международные стандарты безопасной автоматизации предписывают рассматривать системы управления и защиты комплексно, целиком, причем одновременно и в самом широком и всестороннем смысле - как всеобъемлющие системы безопасности, и как конкретную систему для конкретного технологического объекта.
Ключевым аспектом современного подхода является концепция жизненного цикла, определяющая все этапы существования системы от зарождения идеи до списания. Современные стандарты дают возможность перейти от интуитивных представлений о достаточности той или иной архитектуры к количественным оценкам вероятности отказа, и дают соответствующие соотношения, позволяющие определить интегральную безопасность системы. В последние годы появились добротные отечественные нормативные документы по анализу рисков и оценке последствий отказов:
    •  РД 03-418-01 "Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов";
    •  ГОСТ 27.310-95 "Анализ видов, последствий и критичности отказов".
    Согласно РД 03-418-01, из категорий и критериев тяжести отказов следует, что взрывоопасные объекты нефтегазодобывающей, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности относятся к объектам, для которых количественный анализ риска обязателен.
    Таким образом, у производственников появляется формальная основа для предъявления требований к поставщикам оборудования и разработчикам систем, соответствие которым будет обеспечивать приемлемый уровень риска в реальных обстоятельствах. Главные вопросы, на которые необходимо получить ответ, прежде чем приступить к реализации конкретного проекта, состоят в следующем:
    1. Как обрести уверенность, что система обеспечит безопасность, то есть действительно выполнит заложенные функции защиты, когда в этом возникнет необходимость?
    2. Как должна быть построена система, чтобы исключить возможность ложных, немотивированных остановов технологического процесса по вине оборудования системы?