При разработке и исследовании АСУ ТП приходится учитывать ряд противоречивых факторов. Например, повышение точности автоматических устройств приводит к их усложнению, а cлeдoвaтeльнo, к удорожанию и снижению надежности. Поэтому чрезмерное повышение точности работы системы может оказаться нецелесообразным и следует выбрать менее точную, но более надежную систему. Для проектирования АСУ ТП, отвечающих заданным требованиям, и возможности сравнения различных систем вводится ряд характеристик
Для описания качества выполнения информационных функций служат понятия статической и динамической погрешностей измерения. Под статической погрешностью измерения понимается отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины при постоянном ее значении во времени. Эта погрешность определяется применяемыми первичными преобразователями, вторичными приборами, а при вводе информации в ЭВМ — точностью входных устройств ЭВМ.
Динамической погрешностью измерения называется дополнительная погрешность, возникающая при изменении измеряемой величины во времени. Эта погрешность в большинстве случаев вызвана инерционностью измерительных каналов, благодаря чему измеренное значение «не успевает» за истинным значением величины (рис. 2.5, а).
При использовании ЭВМ возникает другой тип динамической погрешности, вызванный тем, что измеряемые параметры опрашиваются циклически, т. е. через определенные интервалы времени тц. Поэтому до следующего момента опроса оператору предоставляется «старое» значение измеряемой величины, которое может не соответствовать ее новому значению (рис. 2.5,6), это же «старое» значение используется в расчетах. Уменьшение как статической, так и динамической погрешности дает возможность точнее знать истинные значения технологических параметров и, следовательно, точнее определять значения критериев управления и улучшать технико-экономические показатели объекта.
Для управляющих функций также вводятся понятия статической и динамической точности. Статическая точность управления характеризует отклонение управляемых величин от заданных значений в установившихся (стационарных) режимах. Она зависит как от статической точности измерения соответствующих величин, так и от зоны нечувствительности и стабильности характеристик управляющих устройств и в некоторых случаях от настройки регуляторов и от величины действующих возмущений.
Динамическая точность управления характеризует отклонение управляемой величины от заданного значения в переходных процессах, т. е. когда меняются заданные значения управляемых величин или внешние возмущения. В зависимости от характера работы объекта рассматривают детерминированные или случайные возмущения (или те и другие вместе). Детерминированные возмущения рассматриваются тогда, когда известно наиболее тяжелое возмущение (или возмущения), действующее на систему. Например, для системы регулирования давления пара перед турбиной в блоках с реакторами ВВЭР-440 рассматривается отключение одной турбины из двух работающих; для системы регулирования частоты вращения турбины — сброс электрической нагрузки от максимума до уровня собственных нужд и т. д. Часто применяемым при исследовании систем детерминированным возмущением является ступенчатое,
Рис. 2 6 Графики изменения выходной величины в системе
а — при ступенчатом детерминированном возмущении, б — при случайном возмущении
В этом случае динамическую точность можно характеризовать одной из следующих величин (рис. 2.6, а):
- максимальным отклонением регулируемой величины от ее установившегося у3 значения — уМакС;
- временем регулирования
равным промежутку времени
от момента нанесения возмущения до момента, начиная с которого отклонение регулируемой величины от установившегося значения у3 не будет превышать некоторого заданного значения А; обычно в качестве Д выбирается значение допускаемой статической погрешности;
- степенью затухания переходного процесса
(2 1)
которая характеризует запас устойчивости системы и должна находиться в пределах 0,75—0,9.
Кроме перечисленных величин для оценки динамической точности часто применяют интегральные критерии качества:
(2.2)
- линейный интегральный критерий!
(2.3)
- модульный интегральный критерий;
(2.4)
- квадратичный интегральный критерий.
При аналитическом исследовании верхний предел интегрирования в (2.2) — (2.4) принимают бесконечным (тр=оо). Оценивая динамическую точность по кривым переходных процессов, значение тр в интегральных критериях определяют в соответствии со значением А.
Если система находится под воздействием случайных возмущений, то применение перечисленных критериев теряет смысл, и динамическую точность системы обычна оценивают значением дисперсии отклонения регулируемой величины
(2.5)
или ее среднеквадратического отклонения
(2.6)
Если известно, что случайные возмущения ограничены по величине, в качестве оценки точности, как и в детерминированном случае, может быть принята максимальная величина отклонения уМакс (рис. 2.6,6). Для некоторых подсистем вводятся свои характеристики динамической точности управления. Так, аварийные защиты характеризуются временем срабатывания, т. е. временем между появлением причины срабатывания (например, отклонением технологического параметра) и срабатыванием исполнительного органа защиты.
Надежность — свойство системы управления выполнять заданные информационные и управляющие функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей (например, статическую и динамическую точность) в заданных пределах
при условии правильной эксплуатации. Количественно надежность системы управления обычно оценивается по вероятности безотказной работы за определенный промежуток времени Т. Пусть в течение времени т в эксплуатации находится N одинаковых систем управления, тогда при достаточно большом N вероятность безотказной работы может быть вычислена как
(2.7)'
где п — число отказавших за время т систем.
Часто используется другая характеристика — среднее время наработки на отказ Тн, представляющее собой среднее время между включением системы в непрерывную v работу (после наладки или ремонта) и ее отказом. Величины Тк и р(т) связаны между собой:
(28, а)
или при т<ТН
(28, б)
Так как часто невозможно провести одновременные испытания большого числа одинаковых систем, на практике определяют среднее время наработки на отказ одной или нескольких систем, затем на основании (2.8) определяют р(т).
Используют также характеристику, называемую интенсивностью отказов
(2.9)
представляющую собой среднее число отказов в единицу времени.
Современные системы управления выполняют одновременно ряд различных функций. Отказ некоторых устройств АСУ обычно приводит к полному или частичному прекращению выполнения одной (или нескольких), но не всех функций: Поэтому вводится понятие отказа функции системы, т. е. при вычислении р(т) в формуле (2.7) п представляет собой не просто суммарное число отказов, а фиксируются отдельно отказы функций контроля, сигнализации, автоматического регулирования и т. п. На основании этого вычисляется интенсивность отказов или среднее время наработки на отказ для каждой функции. При формулировке требований к АСУ для каждой функции обычно задаются свои требования по надежности. При этом наибольшей надежностью должна обладать функция аварийной защиты; далее следуют такие функции, как контроль параметров, дистанционное управление, автоматическое регулирование, автоматическое управление. Наименьшее время наработки на отказ допускается для функций расчета косвенных показателей и оптимизации режимов.
В современных АСУ вопросам надежности придается большое значение, так как выход из строя какой-либо из функций АСУ приводит к ухудшению работы объекта, а в некоторых случаях и к необходимости остановки блока Надежность АСУ повышается путем использования более совершенных элементов. Так, переход от регуляторов, основанных на электронных лампах, к полупроводниковым регуляторам, а затем и к регуляторам на микросхемах повысил надежность АСУ. Другим путем повышения надежности является создание схем с резервированием, благодаря которому система продолжает нормально функционировать даже при выходе из строя некоторых устройств.
Эксплуатационные характеристики АСУ ТП определяют ее ремонт то пригодность, т. е. легкость нахождения и замены неисправного устройства; требования к квалификации обслуживающего персонала; время, необходимое для проведения профилактических работ, и т. д. В современных условиях, когда АСУ ТП постоянно усложняются, на улучшение их эксплуатационных характеристик обращается серьезное внимание.
Особенно важна ремонтопригодность для тех устройств АСУ ТП, которые работают в помещениях с повышенной радиацией, так как время пребывания там персонала ограничено.
Стоимость АСУ ТП становится важным фактором при проектировании современных АЭС, так как доля стоимости систем управления в общей стоимости станции постоянно растет. При этом необходимо учитывать не только стоимость технических средств АСУ, но и стоимость ее разработки, монтажа, наладки программного обеспечения ЭВМ, а также стоимость обслуживания АСУ ТП и ремонта ее технических средств в процессе эксплуатации Учет всех перечисленных факторов позволяет вычислить приведенные затраты на систему. Обычно с увеличением сложности системы возрастают приведенные затраты. Для обоснованного выбора системы необходимо также рассматривать технико-экономический эффект от ее внедрения, способ оценки которого мы изучим на упрощенном примере.
Пусть разработаны две АСР, предназначенные для регулирования мощности реактора. Система 1 более простая и дешевая, но допускает большие максимальные отклонения макс. мощности; система 2 более сложная, но максимальные отклонения макс. при ее работе меньше (рис. 2.7). Значение заданной мощности в этом случае определяется, исходя из допустимой мощности реактора и снижается на значение макс, чтобы реальное значение мощности N никогда не превысило Ндоп. Как видно из рис. 2.7,б, при применении системы 2 заданная мощность может быть увеличена на AIN, что приведет к увеличению мощности реактора и выработки электроэнергии. Это дает экономию затрат на топливо, так как при той же потребляемой в энергосистеме мощности позволит снизить его потребление на малоэкономичных станциях. Обозначим эту экономию через АЭ (руб/год).
Рис. 2.7. К оценке экономического эффекта АСР (процессы регулирования мощности реактора):
а —система 1; б — система 2
Тогда, если приведенные затраты в системе 1 составляют П1 (руб/год), а в системе 2 — П2(руб/год), целесообразно применить более сложную систему 2 в случае, если
(2 10)
В противном случае усложнение системы нецелесообразно
Аналогично может быть подсчитан технико-экономический эффект при изменении других характеристик системы, например надежности. В этом случае, если отказ какой-либо функции АСУ приводит к снижению мощности или даже полной остановке блока, эффект повышения надежности определяется уменьшением количества таких отказов, т. е. в конечном итоге увеличением выработки электроэнергии на АЭС.
При проектировании современных АСУ ТП важная роль отводится эргономическим характеристикам. Эргономика — это наука, которая занимается комплексным изучением и проектированием трудовой деятельности с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, а также профессионального мастерства. Человек-оператор в АСУ ТП является важнейшим звеном управления, на котором лежит основная ответственность за работу технологического объекта. Поэтому необходимо обеспечить правильное взаимодействие технических средств АСУ ТП и человека. Среди эргономических проблем, которые разрешаются при проектировании АСУ, отметим следующие:
распределение функций управления между операторами и автоматическими устройствами;
распределение функций управления между отдельными операторами и организация взаимодействия между ними;
формулировка требований к условиям обитаемости помещений щитов управления: размерам, температуре, освещенности, составу воздуха, шуму, вибрациям и т. п.;
выбор формы, размеров, цвета и расположения пультов и щитов в помещении щитов управления;
выбор способов представления информации (цифровые, стрелочные, самопишущие приборы, электронно-лучевые индикаторы);
выбор способов передачи управляющих воздействий на объект (ключи, тумблеры, кнопки и т. п.); определение расположения устройств отображения информации и устройств управления на панелях пультов и щитов.
Таким образом, для создания оптимальной АСУ ТП следует обращать внимание не на какую-либо одну характеристику, а на ряд взаимосвязанных характеристик, определяющих различные стороны системы.
