Новый путь проектирования систем контроля и автоматики

Е.Целищев, А.Салин, А.Шемякин, И.Кудряшов

Предыстория

Агрегативно-декомпозиционная технология

Интеллектуальное документирование

Отличительные особенности технологии

Опыт использования

Предыстория

В начале 90-х годов в Ивановском энергетическом институте (ныне — Ивановский государственный энергетический университет) была сформирована команда специалистов, которая занялась исследованием проблем автоматизации проектирования систем контроля и управления. Место и время не были случайными: за многие десятилетия в Иванове сложилась блестящая школа подготовки энергетических кадров высокой квалификации. Энергетический институт был головной организацией межвузовской программы «САПР в энергетике и электротехнике». Наконец, здесь же, в Иванове, располагались крупнейшие организации энергетического профиля — «Зарубежэнергопроект» и «Ивэлектроналадка».

Проведенное исследование показало, что единого системного подхода к решению задачи автоматизации проектирования не существует. Большие надежды возлагались на текстовые и графические редакторы, на программы, автоматизирующие отдельно взятые проектные процедуры и операции (формирование спецификаций и др.). Конечно, и это было бы шагом вперед, но… Во-первых, применение упомянутых средств не позволяло автоматизировать процесс, а лишь механизировало его; во-вторых — каждая из программ требовала ввода исходных данных (зачастую в больших объемах), причем эти данные не были согласованы между различными проектными процедурами. Сквозной автоматизации не получалось. Повышение производительности труда проектировщиков и частичное сокращение сроков выдачи проектной документации достигались за счет распараллеливания процесса проектирования и привлечения большего числа проектировщиков. Распараллеливание, в свою очередь, осуществлялось исходя из возможности разделить проектируемую систему на относительно автономные, функционально завершенные узлы, агрегаты, сооружения и здания, подсистемы снабжения, задачи контроля и управления и др. Сроки проектирования действительно сокращались, но при этом группы проектировщиков как одной, так и разных специальностей вынуждены были обмениваться огромными объемами служебной информации и промежуточными документами, необходимыми лишь для согласования и уточнения. Это осложнялось общей итерационностью процесса проектирования.

Такова была ситуация к моменту создания в ИГЭУ Научно-исследовательского института моделирования и вычислительного эксперимента, основной задачей которого стал поиск кардинально новых путей решения проблемы сквозной автоматизации проектирования электротехнических систем. Тесное сотрудничество со специалистами АО «Зарубежэнергопроект» (генеральный директор В.В.Седов) и АО «Ивэлектроналадка» (генеральный директор Е.К.Журавлев) позволило взглянуть на проблему шире и попытаться найти решение, охватывающее весь процесс проектирования, а не отдельные его компоненты. Идея была проста: автоматизировать разработку не отдельных документов (в соответствии с ГОСТ, ОСТ и т.д.), а информационной модели (структуры) всей системы контроля и управления (КИПиА), которая впоследствии стала бы источником информации для автоматизированного и автоматического документирования.

Для реализации этой идеи необходимо было ответить на два основных вопроса:

• Какова должна быть структура базы данных номенклатуры средств контроля и управления, правил принятия типовых проектных решений?
• Какова должна быть структура собственно информационной модели, чтобы она могла эволюционировать в процессе проектирования и быть источником информации для любого проектного документа?

Агрегативно-декомпозиционная технология

При разработке систем управления (КИПиА) используются прототипы, или типовые проектные решения (ТПР), причем понятие «типовой» применимо для любого устойчивого проектного решения какого угодно состава и сложности. Например, наряду с понятием «типовая система управления» существуют понятия «типовая система регулирования», «типовая система контроля», «типовая структура исполнительного устройства», «типовая структура датчика», «типовая структура датчика температуры» и т.д. Предметная область проектирования при этом представляется в виде обобщенного «и/или», то есть дерева, на каждом из уровней которого приведены описания вариантов типовых проектных решений различных уровней абстракции. Такой подход имеет сразу два серьезных преимущества:

• только иерархическое многоуровневое описание позволяет компактно, в сжатой форме представить все множество вариантов, типов и моделей технических средств автоматизации, которые используются сегодня для построения систем контроля и управления, а также всех типовых структур;
• на основе иерархического описания можно построить алгоритмы автоматизированного синтеза структуры проектируемой сложной (многокомпонентной) системы. Процесс построения модели заключается в чередовании процедур декомпозиции (разложения целого на части — уточнения структур и конкретных характеристик элементов) и агрегирования (подбора для некоторых классов и множеств функций многофункциональных технических элементов: многоканальных блоков питания и вторичных приборов, микропроцессорных модулей, многоканальных блоков управления приводами и др.).

Два основных вида автоматизированных процедур и легли в основу новой, агрегативно-декомпозиционной технологии автоматизированного проектирования сложных систем.

Получаемая в результате агрегативно-декомпозиционного синтеза единая модель проекта (ЕМП) на разных этапах автоматизированного проектирования проходит следующие стадии (рис. 1):

• задание (ТЗ), представляющее собой перечень каналов контроля и приводов запорной и регулирующей арматуры с требованиями к ним;
• принципиальная модель — в модели выбраны и уточнены все характеристики технических средств автоматизации, необходимые для построения спецификаций, для заказа, построены все принципиальные электрические, гидравлические и другие связи между элементами (связи имеют необходимые характеристики — маркировки, вид сигнала и др.);
• монтажная модель — в модели построены и промаркированы все клеммные соединители щитов, пультов, панелей, стендов, соединительных коробок и т.д.; все так называемые общие точки разведены либо на клеммниках, либо на элементах модели в виде шлейфов; все межщитовые связи объединены в соответствии с нормативными требованиями в кабели; проработаны характеристики кабелей (жильность с учетом резерва, сечение, материал жил, оплетки, степень защиты от воздействий, направление, адреса-источники приемника и др.).

Рис. 1. Структура агрегативно-декомпозиционной технологии

Интеллектуальное документирование

На каждой из стадий ЕМП может применяться для формирования того или иного проектного документа (ТЗ — перечни точек контроля и приводов P&I-диаграммы; принципиальная модель — спецификации, принципиальные схемы и др.; монтажная модель — схемы подсоединения кабелей, схемы кабельных и трубных проводок, кабельные журналы и др.). Используются автоматизированные документаторы, имеющие графические (AutoCAD) и табличные (Microsoft Word) шаблоны (рис. 2).

Подобный подход позволяет обеспечить соблюдение любых стандартов и других нормативных документов и требует лишь настройки (редактирования форм таблиц или графических изображений) шаблонов в соответствии с действующим стандартом.

Рис. 2. Структура AutomatiCS АДТ

Отличительные особенности технологии

1. Автоматизированные процедуры построения ЕМП отделены от процедур формирования документов, поскольку требования к уровню квалификации проектировщика для этих двух классов процедур различны. Это обстоятельство позволяет распараллелить процесс проектирования между двумя группами проектировщиков:
   • администратор базы знаний — эксперт высокой квалификации, принимающий проектные решения на высоком уровне;
   • группа, формирующая пакет проектных документов на основе информации ЕМП.
2. Процесс синтеза автоматизирован и занимает незначительное время, поэтому построение ЕМП-системы в целом вполне может контролировать один специалист. При этом промежуточные информационные потоки и документы согласовательного плана ликвидируются.
3. По мере накопления знаний в базе степень автоматизации проектирования возрастает.
4. Информация вводится в ЕМП только один раз и затем по мере выпуска документов отображается в тех или иных формах. При этом устраняется возможность ее искажения.
5. Использование ЕМП в качестве источника информации позволяет формировать документы повышенной сложности и информативности, что открывает новые возможности для создания пакета проектных документов.
6. Необходимость описывать предметную область проектирования в структурированном виде обязывает проектировщика систематизировать свои знания. Кроме того, формальное описание знаний позволяет выявлять ошибки многих справочных и нормативных данных, тиражируемых из проекта в проект.

Опыт использования

АДТ-технология и ее программная реализация — программно-информационный комплекс AutomatiCS АДТ — с успехом применялись при проектировании систем контроля и управления энергетических объектов.

Северо-Западное отделение института «ВНИПИэнергопром» использовало их при выполнении проекта СКУ парогазовой установки 450 МВт (она включала блочное и общестанционное оборудование, генераторы) для Северо-Западной ТЭЦ.

ОАО «Ивэлектроналадка» выполняло при помощи AutomatiCS АДТ проекты систем контроля и управления для теплосетей Ярославля, блоков Йошкар-Олинской ТЭЦ-1 и Пензенской ТЭЦ-1, а также проекты реконструкции СКУ котельной Ивановского тепличного хозяйства, объектов Ярославской ТЭЦ-3.

АО «Системотехника» в рамках технологии осуществило разработку проектов реконструкции СКУ 6-го и 7-го котлоагрегатов Ярославской ТЭЦ-1, проекта СКУ поселковой и городской электрокотельных в поселке Талакан Амурской области.

АО «Теплоэлектропроект» использовало результаты исследований при разработке проекта СКУ водоподготовительной установки ТЭЦ-25 Мосэнерго, объектов ТЭС «Юсифия».

АО «Зарубежэнергопроект» применяло компоненты AutomatiCS АДТ при проектировании КИПиА основного и вспомогательного оборудования Владимирской ТЭЦ-1, ТЭС «Рамин», ТЭС «Харта» (Ирак), объектов геотермальной электрической станции «Мутновская».

AutomatiCS АДТ был использован при проектировании в отделе КИПиА института «Мосэнергопроект» систем контроля и телемеханики третьего теплового кольца Москвы, а также при проектировании систем контроля и управления объектов ГЭС-1 Мосэнерго, ГРЭС «Нассирия» (Ирак).

Приведем краткую характеристику процесса использования AutomatiCS АДТ в отделе АСУТП ОАО «Ивэлектроналадка» при проектировании КИПиА котла № 7 (БКЗ-320-140ГМ) Ярославской ТЭЦ-3. В работе были задействованы три специалиста: двое выполняли проектирование системы в части контроля и управления, один осуществлял общее руководство и контроль, а также выполнял функции технического консультанта проекта. Очевидно, что эти специалисты принимали решения, а затем реализовывали их, но при этом были скорее руководителями проекта, чем исполнителями. Роль исполнителя в данном случае выполняла система автоматизированного проектирования AutomatiCS АДТ.

Высокая типизация решения, возможность оперативного формирования документации в необходимом заказчику виде, отсутствие случайных ошибок при принятии технических решений, формировании документации, кодировании — вот преимущества, помимо сокращения сроков и трудозатрат, которые дало использование системы. Кроме того, появилась возможность комплексной оценки количества и качества технических средств.

Проектировщик получил в свое распоряжение библиотеку технических решений, модель системы и формы проектных документов, что позволяет оперативно вносить изменения в проект и автоматически накапливать опыт принятия типовых технических решений.

В части системы контроля проект характеризуется следующими параметрами:

• Общее количество точек контроля — 450.
  • Из них температуры — 242;
  • Давления, разряжения — 131;
  • Уровня, расхода, перепада давления — 42;
  • Хим. контроля, спец. измерений — 35.
• Количество приводов запорной арматуры — 182.
• Была выпущена проектная документация следующих видов и объемов (листов):
  • Перечень точек контроля — 21;
  • P&I диаграммы — 9;
  • Перечень электроприводов — 5;
  • Рабочая спецификация — 75;
  • Спецификации на щиты в части систем управления приводами — 11 (рис. 3);
  • Таблицы НКУ и надписи в рамках — 11;
  • Фасады местных щитов — 6;
  • Схемы заполнения сборок — 28;
  • Полные схемы приводов 40
  • Схемы блоков сборок 6
  • Схемы подключения кабелей к рядам зажимов — 44 (рис. 4);
  • Принципиальные схемы щитов и пультов — 17;
  • Кабельный журнал — 112 (рис. 5);
  • Кабельные и трубные — 120 (рис. 6).

Рис. 3. Рабочая спецификация

Рис. 4. Кабельный журнал

Рис. 5. Подключение кабелей к рядам зажимов

Рис. 6. Схема кабельных и трубных проводок

В проекте использованы технические средства следующих производителей: кoнцepн «Mетран» (Чeлябинcк), OAO «Maнoтoмь» (Toмcк), МПО «Манометp» (Москва), ПO «Teплoкoнтpoль» (Kaзaнь), ПO «Teплoпpuбop» (Pязaнь), HППO «Texнoпpuбop» (Mocквa), Hayчнo-uнжeнepный цeнтp «Aвтoмaтuкa» (Москва), OOO «HПФ ЦИPKOH» (Mocквa), HПO «Aвтоматика» (Bлaдимиp), ОАО «Промышленная компания “Сплав”» (Нижний Новгород).

Принятие технических решений происходило на этапе, традиционно соответствующем техническому заданию. Дело в том, что формирование базы данных и знаний системы AutomatiCS АДТ, кроме включения в нее недостающих технических средств, предполагает описание условий использования этих технических средств, что при основательном подходе и соответствующем формировании технического задания на проектирование переводит отдельные этапы процесса из разряда автоматизированных в разряд автоматических. Высвобождается время, которое затрачивали высококвалифицированные специалисты на механическую (для их квалификации) работу, что позволяет направить их знания и опыт на повышение качества проектов в целом. Это происходит без уменьшения общего числа принимаемых в процессе проектирования технических решений (эту роль выполняет AutomatiCS АДТ).

В заключение отметим, что проблема обеспечения сквозной автоматизации проектирования систем контроля и автоматики на всех этапах разработки проектной документации остается актуальной, а ее решение — своевременным и востребованным.

Мир Этикетки 8'2002