Справочник инженера по АСУТП Проектирование и разработка 2008. Справочник инженера по асутп Проектирование и разработка Учебнопрактическое пособие ИнфраИнженерия
 Скачать 6.47 Mb.
|
|
Ю.Н. Федоров СПРАВОЧНИК ИНЖЕНЕРА ПО АСУТП: Проектирование и разработка Учебно-практическое пособие Инфра-Инженерия Москва 2008 Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разра- ботка. Учебно-практическое пособие. - М.: Инфра-Инженерия, 2008. -928 стр., 12 ил. Справочник задает систему базовых определений и требова- ний, выполнение которых реализуется в правилах создания АСУТП. Даются рекомендации по выбору архитектуры автоматизирован- ных систем управления и защиты технологических процессов. Пос- ледовательно определяется состав и распределение работ по соз- данию 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 сис- тем защиты технологических процессов окажут методическую по- мощь всем, кто связан с этими проблемами - от разработчиков сис- тем, до руководителей предприятий. Вместе с тем, книга может использоваться в качестве учебного пособия для преподавателей и студентов высших и средних специальных учебных заведений соот- ветствующих специальностей. Представленная в работе методология создания АСУТП являет- ся шагом к разработке современных отечественных стандартов промышленной автоматизации, согласованных с международным опытом. Рецензенты: Э.Л. Ицкович - доктор технических наук, профессор, заве- дующий лабораторией Института проблем управления РАН. Л.Р. Соркин - доктор технических наук, профессор, заведу- ющий кафедрой Московского физико-технического института. © Ю.Н.Федоров, автор, 2008 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2008 ISBN 978-5-9729-0019-0 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 решительно- сти 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 созда- ния АСУТП на основе авторского опыта проектирования, раз- работки, внедрения, эксплуатации и сопровождения АСУТП с максимально возможным учетом существующей отечествен- ной нормативной базы. Даются точные определения ключе- вых 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 безо- пасных систем управления и защиты. Центральная часть книги посвящена жизненно важным аспектам построения АСУТП - формализации основных ста- дий создания АСУТП, разработке и оформлению проектной документации, - то есть комплексному и корректному про- ведению проектных и инженерных работ. Определяется со- став и распределение работ по созданию АСУТП, приводятся образцы конкретной проектной и эксплуатационной докумен- тации технического и рабочего (технорабочего) проектов АСУТП. В две самостоятельные главы выделена часть про- ектной документации, посвященная стадиям, определяющим начало и завершение проекта создания АСУТП. 4 Справочник инженера по А СУТП: Проектирование и разработка Отработанный на опыте практической реализации на многих технологических объектах образец "Технического за- дания 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 стандар- тов 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, - и в этом с автором солидарны ведущие западные эксперты, - является полное отсутствие оценок вероятности ложного срабатывания систем управления и защиты. Общие решения для систем произвольной архитек- туры - и для вероятности опасного отказа, и для ложного сра- батывания, - представлены в настоящей работе. Здесь же делается анализ соответствия отечественных ка- тегорий взрывоопасное™, и зарубежных классов (Requirement Class - RC, AnforderungsKlasse - AK) по немецким стандартам DIN, и уровней безопасного допуска (Safety Integrity Level - SIL) по американским стандартам ISA, и по стандартам Меж- дународной электротехнической комиссии (IEC). Даются кон- кретные рекомендации по выбору архитектуры систем управ- ления 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 предла- гается система идентификации, которая отличается согласо- ванностью и целесообразностью решений. Приводятся подго- товленные к практическому использованию библиотеки сим- вольных и графических элементов монтажно-технологических и функциональных схем автоматизации. Можно много рассуждать о том, насколько представи- тельны 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 По независимым оценкам фирм Honeywell и Yokogawa, экономический эффект от внедрения пакетов усовершенство- ванного управления составляет от 40% до 60% в общей доле прибыли от внедрения комплексных автоматизированных сис- тем управления производством, со сроком окупаемости 6-12 месяцев. Невостребованность современных методов управле- ния в лучшем случае низводит процесс создания АСУТП до тривиальной модернизации, не привнося никаких существен- ных 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, п о д т в е р ж д е н н ы й на аналогичных производствах, и ориентироваться на долго- временное сотрудничество. Успешно работающие предпри- ятия - это успешно организованные предприятия, - от опреде- ления начальных условий, до сопровождения системы. 6 Справочник инженера по А СУТП: Проектирование и разработка ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Техническое задание Эксплуатация Обслуживание Проектирование Разработка Приемосдаточные испытания А Изготовление оборудования Монтаж Пусконаладка И если мы делаем правильный выбор, то результат прак- тически 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 реше- ний, способных хоть как-то спасти проект, и с посто- янной угрозой провала. И никаких перспектив пере- прыгнуть через барьер примитивной самозащиты. Появление международных стандартов безопасности, оп- ределяющих особые требования к проектированию и конкрет- ной реализации систем управления и защиты, связано с всё большим усложнением и технологических процессов, и средств автоматизации, и соответствующим увеличением рис- ка 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 8 Глава 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ 1.1. Область определения В данной работе рассматриваются ключевые аспекты ав- томатизации технологических процессов, которые существен- но пересекаются с проблемами развития отечественной нор- мативной 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 техноло- гическими процессами, предопределяются ошибками специ- фикации (рис. 1.2). В отечественной практике постановку за- дач автоматизации и конкретные требования к системе управ- ления и защиты технологического процесса определяет Тех- ническое задание на создание АСУТП. Неформальное от- ношение к разработке ТЗ имеет исключительно важное значе- ние для будущей системы: ни с того ни с сего кирпич на голо- ву никому не упадет. 8 Справочник инженера по А СУТП: Проектирование и разработка Область действия настоящего руководства в общей иерархии стандартов Область под контролем предприятия Рис. 1.1 Глава 1. Постановка задач автоматизации 9 Проектирование и внедрение Пуско-наладка и приемка 6% Спецификация 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 сис- тем автоматизации в течение всего жизненного цикла в соот- ветствии с диаграммой рис. 1.1 должны регламентироваться: • Специфическими стандартами предприятия • Отраслевыми стандартами • Государственными стандартами • Международными стандартами. Современный подход к автоматизации заключается в фор- мировании автоматизированных систем управления и защиты как главного элемента единой системы защиты процесса. Классическая система управления технологическими процес- сами (АСУТП) в самом общем виде объединяет в себе два взаимосвязанных компонента: • Система ПротивоАварийной Защиты - ПАЗ • Распределенная Система Управления - РСУ. При непосредственном выборе и проектировании про- граммно-технического комплекса часто рассматривается толь- ко центральная часть системы - основное оборудование АСУТП. При этом совершенно упускается из виду общая на- дежность контуров управления и защиты - функций безопас- ности, - начиная от датчиков, и заканчивая исполнительными устройствами. 1.3. Общие положения 10 Справочник инженера по А СУТП: Проектирование и разработка Современные международные стандарты безопасной ав- томатизации предписывают рассматривать системы управле- ния и защиты комплексно, целиком, причем одновременно и в самом широком и всестороннем смысле - как всеобъемлющие системы безопасности, и как конкретную систему для кон- кретного технологического объекта. Ключевым аспектом современного подхода является концеп- ция жизненного цикла, определяющая все этапы существо- вания системы от зарождения идеи до списания. Современные стандарты дают возможность перейти от интуитивных пред- ставлений о достаточности той или иной архитектуры к коли- чественным оценкам вероятности отказа, и дают соответст- вующие соотношения, позволяющие определить интеграль- ную безопасность системы. В последние годы появились доб- ротные 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 критич- ности отказов" Согласно РД 03-418-01, из категорий и критериев тяжести отказов следует, что взрывоопасные объекты нефтегазодобы- вающей, химической, нефтехимической и нефтеперерабаты- вающей промышленности относятся к объектам, для которых количественный анализ риска обязателен. Таким образом, у производственников появляется фор- мальная 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 кон- кретного проекта, состоят в следующем: 1. Как обрести уверенность, что система обеспечит безо- пасность, то есть действительно выполнит заложенные функции защиты, когда в этом возникнет необходи- мость? 2. Как должна быть построена система, чтобы исключить возможность ложных, немотивированных остановов технологического процесса по вине оборудования сис- темы? Глава 1. Постановка задач автоматизации 11 3. Как должно быть организовано техническое обслужи- вание АСУТП (автономное тестирование, диагностика, самодиагностика), чтобы технологический персонал не растерял доверия к ее дееспособности? Тенденция развития современных стандартов безопасно- сти заключается в разработке формальных правил, методик, алгоритмов для оценки и сертификации уровня безопасности не просто для применяемого оборудования, но самой системы безопасности как комплексной системы защиты конкретного технологического процесса. 1.4. Специфика автоматизированных систем Многие неприятности, связанные с системами зашиты, связаны с НЕ учетом специфики этих систем. Системы управ- ления вообще, а системы противоаварийной защиты в особен- ности обладают рядом специфических свойств, присущих только этим системам: 1. Система защиты может формально находиться в рабо- те, но в момент наступления опасного события на про- цессе не способна отреагировать на него. Подобный тип отказа принято называть опасным отказом. 2. Система защиты может совершить ложный немотиви- рованный аварийный останов процесса, в то время как в действительности ничего опасного на процессе не произошло. Подобный тип отказа некоторые люди на- зывают "безопасным" отказом. Любой останов и запуск производства - это серьезные и ответственные операции, не говоря об экономических поте- рях. Процедура останова, предназначенная для защиты про- цесса, сама по себе представляет значительную опасность, ибо требует согласованного изменения состояния многих элемен- тов технологического оборудования, и зависит от безупречно- го выполнения вполне определенных последовательностей операций - как автоматических, так и согласованных действий технологического персонала. Каждому, кто соприкасался с современными крупнотоннажными взрывоопасными техноло- гическими процессами не надо объяснять, что любой останов - чрезвычайное происшествие на производстве, связанное с серьезным риском и для людей, и для оборудования. 12 Справочник инженера по А СУТП: Проектирование и разработка Тем более, ложный останов, исходящий из системы, предназначенной для предотвращения аварийных ситуаций, - нонсенс, в причинах которого необходимо разобраться. Особо подчеркивается, что в общей структуре отказов ос- новную долю отказов несут полевые устройства. По данным TUV, см. "Functional safety of programmable systems, devices & components: Requirements from global & national standards" Matthias R. Heinze, Vice President Engineering TUV of North America, 0ct-2001, существует следующее распределение час- тоты отказов по главным компонентам систем защиты: Поэтому при создании систем безопасности основной упор должен делаться на модернизацию полевого оборудова- ния, сертифицированного на применение в системах защиты, и с режимом оперативной диагностики в реальном времени. Реализация этой функции предоставляется специализирован- ными системами обслуживания полевого оборудования - Plant Asset Management Systems. Появление этих систем стало возможным с созданием полевого оборудования, способного в режиме on-line взаимодействовать с системой обслуживания по гибридным аналогово-цифровым протоколам типа HART, или полностью цифровым протоколам типа Fieldbus. Потенциальная возможность несрабатывания и ложного останова затрагивает самый сложный аспект безопасности, связанный с участием человека, или, говоря сугубо утилитар- ным современным языком, с мощнейшим воздействием так называемого "человеческого фактора". Люди - существенно нелинейные системы и вообще склонны к катастрофическому поведению. Именно человек является основным источником ошибок. И система безопасности должна строиться с учетом склонности людей к безрассудному поведению и неоправдан- ному риску. Вместе с тем, анализ применяемых схем защиты показы- вает, что повышенная вероятность опасных отказов и ложных срабатываний может быть заложена в систему изначально на этапе проектирования. Датчик Центральная часть системы (PLC) Исполнительный элемент Тип устройства Отказы, % 35 15 50 |