Федоров Ю.Н. - Основы построения АСУТП взрывоопасных производств [2006, DjVu]

Представляемая работа – результат многолетних исследований и практического опыта внедрения автоматизированных систем управления на промышленных предприятиях химического, нефтехимического и нефтеперерабатывающего комплекса России. Работа является пионерской, поскольку отечественная нормативная база для создания АСУТП взрывоопасных производств фактически отсутствует. Впервые исследуется проблема промышленной безопасности автоматизированных систем на фундаментальном уровне.
В первом томе "Методология" рассмотрены методологические проблемы применения программируемых электронных систем в промышленности, и проблемы безопасной автоматизации.
Том 1 "Методология" состоит из восьми глав.
В главе 1 "Постановка задач промышленной безопасности" рассматриваются специфические особенности современных систем безопасности. На конкретных примерах показывается нетривиальность проблем обеспечения промышленной безопасности. Анализируются стереотипы интуитивных представлений об уровне надежности для базовых архитектур систем безопасности. Показывается необоснованность ряда сложившихся стереотипов, как, например, превосходство архитектуры 2оо3 над архитектурой 1оо2D. Отмечаются конкретные недостатки стандартов Международной электротехнической комиссии (МЭК). Впервые водится табличное сопоставление отечественных и зарубежных норм промышленной безопасности, которое приобретает конкретное содержание в последующих главах.
В главе 2 "Современная концепция безопасности" приводится развернутое определение терминов, используемых при рассмотрении современных систем безопасности. Дается характеристика современных международных стандартов безопасности. Определяется концепция модели жизненного цикла системы безопасности.
Приводятся диаграммы рисков для определения и сопоставления классов требований и уровней допуска по существующим стандартам. Рассматриваются методы анализа рисков для систем безопасности.
В главе 3 "Архитектура систем безопасности" поясняются принципиальные отличия обычных программируемых логических контроллеров от контроллеров, предназначенных для промышленного применения в качестве центрального элемента систем безопасности. Проводится сравнительный анализ базовых архитектур систем безопасности, рассматриваются их особенности и фундаментальные отличия. Приводятся примеры основных промышленных систем безопасности.
Особое значение имеют Глава 4 "Теоретические основы надежности и безопасности", и Глава 5 "IEC 61508 – вероятность отказа. Альтернативные решения", в которых последовательно исследуются Марковские и комбинаторные модели различных архитектур систем безопасности. Однозначно доказывается несостоятельность оценок вероятности опасных отказов, предлагаемых в стандарте IEC 61508. Определяются корректные соотношения. По ходу действия удается доказать необоснованность ряда сложившихся стереотипов, таких как, например, превосходство архитектуры 2оо3 над архитектурой 1оо2D.
В главе 4 "Теоретические основы надежности и безопасности" даются определения базовых терминов и понятий, связанных с системами безопасности. Рассматриваются различные варианты архитектур систем безопасности, и производятся расчеты их характеристик на основе логических блок-диаграмм, комбинаторного подхода, и моделей Маркова.
Одно из центральных мест первого тома занимает исследование соотношений стандарта IEC 61508 для определения вероятности опасного отказа, представленное в главе 5 "IEC 61508 – вероятность отказа. Альтернативные решения". Однозначно доказывается несостоятельность оценок вероятности опасных отказов при максимальном уровне диагностического охвата, предлагаемых в стандарте IEC 61508. Определяются корректные соотношения. А именно:
· Приводится самостоятельный вывод и обоснование соотношений для вычисления вероятностей опасного отказа по стандарту IEC 61508.
· Определяются границы применимости соотношений IEC 61508. Предлагаются скорректированные соотношения для вероятностей опасных отказов при граничных значениях уровня самодиагностики.
· Рассчитываются отсутствующие в стандарте IEC 61508 вероятности и среднее время наработки на ложное срабатывание для различных архитектур систем безопасности.
· Находятся общие соотношения вероятностей опасного отказа и вероятностей ложного срабатывания для систем произвольной архитектуры.
Существуют различные подходы к оценке надежности оборудования систем безопасности. Однако их бездумное применение может оказаться совершенно бесплодным. Более того, может привести к абсолютно противоположному результату: великолепное оборудование, которое во множестве реально существующих приложений на самых сложных технологических процессах проявляет себя наилучшим образом, может оказаться никуда не годным с точки зрения абстрактного расчета.
В главе 6 "Проектная оценка надежности системы" приводятся мало известные даже среди специалистов методики и расчеты параметров надежности на примере реальных систем управления и защиты. Проводится анализ границ применимости этих методик в конкретных приложениях.
Рассматриваются два варианта расчета надежности систем управления и защиты:
· Традиционный – без расщепления частоты отказов на опасные и безопасные отказы, и без учета вероятностей отказа полевого оборудования, и
· Современный функциональный подход в соответствии с методикой стандарта IEC 61508.
Особо подчеркивается, что для обоснованного выбора архитектуры систем управления и защиты необходимо учитывать надежность не только центральной части системы, но и полевого оборудования, как этого требуют стандарты МЭК.
В главе 7 "Иерархия – закон управления сложностью" воспроизводится способ иерархической организации взаимодействия персонала и системы в противовес обычной вольной импровизации. Только после осознания информационной структуры объекта могут быть оформлены и формализованы функции элементов структуры. Прежде, чем функции превратятся в утилитарную последовательность операций, должна быть выстроена иерархическая информационно-управляющая модель процесса.
В отдельную главу 8 "Особенности национальной безопасности" вынесен подробнейший разбор едва ли не единственного отечественного документа по промышленной безопасности – ПБ 09-540-03 "Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств". Этот в целом добротный документ относительно технологических требований, оказывается мало эффективным в отношении систем управления и защиты технологических процессов.
Наглядно показывается его противоречивость и неполнота в части создания автоматизированных систем. Заново переписываются те разделы и пункты Правил, которые имеют отношение к АСУТП. Даются точные определения важнейших понятий, без которых невозможно даже приступить к созданию АСУТП (в последней редакции ПБ какие бы то ни было определения вообще отсутствуют):
· Определение стадий и этапов создания АСУТП;
· Определение состава организаций-участников проекта создания АСУТП;
· Определение состава документации технического и рабочего (технорабочего) проектов;
· Определения важнейших понятий, имеющих определяющее значение при создании систем управления и защиты.
Исключительное по важности значение имеет исследование существующих международных подходов к промышленной безопасности. Исследование современных западных стандартов безопасности
· ISA S84.01 (США),
· DIN V 19520, V VDE 0801 (Германия),
· IEC 61508, IEC 61511 (Международная Электротехническая Комиссия)
приводит автора к определению границ применимости предлагаемых методик, позволяет прямо указать на их неточности и просто ошибки.
Впервые делается анализ соответствия отечественных категорий взрывоопасности, и зарубежных требований (RC) и уровней безопасного допуска (SIL) по стандартам DIN, ISA и IEC.
Даются конкретные рекомендации по выбору архитектуры систем защиты для взрывоопасных объектов:
· Рассматриваются возможные механизмы деградации этих систем и разрешенные действия при отказах.
· Устанавливаются конкретные временные ограничения на применение различных архитектур ПЛК в контексте отечественных категорий взрывоопасности.
· Приводится наглядное графическое изображение и сопоставление классов, уровней и категорий с возможными (допустимыми) вариантами действий в случае частичного или полного отказа системы защиты.
· Рассматриваются требования по резервированию полевого оборудования, выполнение которых необходимо для того, чтобы отнести не только ПЛК, но и систему безопасности в целом к требуемому классу.
· Определяется минимальный уровень требований, который необходимо соблюсти при выборе системы с учетом резервирования сенсоров и исполнительных элементов.
· Приводится простейшая процедура выбора требуемой системы безопасности на основе представленных в данной работе результатов.
Полученные результаты являются большим шагом к созданию отечественных стандартов промышленной безопасности, согласованных с международным опытом.
Второй том "Проектирование" практически целиком посвящен жизненно важному аспекту создания и существования АСУТП – формализации основных стадий процесса создания АСУТП, то есть комплексному проведению проектных работ и корректному оформлению проектной документации. Последовательно определяется состав и распределение работ по созданию АСУТП, приводятся конкретные образцы проектной и эксплуатационной документации технического и рабочего (технорабочего) проектов АСУТП.
Том 2 состоит из восьми глав (главы 9-16), нумерация которых продолжает нумерацию глав тома 1 "Методология" (главы 1-8).
В главе 9 "Состав и содержание работ по созданию АСУТП" даются определения ключевых понятий, знание которых необходимо при создании АСУТП, определяется ответственность всех участников проекта создания АСУТП. Приводится описание всех стадий и этапов создания АСУТП – от формирования общих требований до приемо-сдаточных испытаний.
В главе 10 "Состав документации проекта АСУТП" на основе собственного опыта создания АСУТП и существующей нормативно-технической информации автором определяется состав документации и требования к содержанию документов по основным разделам проекта АСУТП: "Общесистемные решения", "Техническое обеспечение", "Информационное обеспечение", "Стандартное программное обеспечение", "Прикладное программное обеспечение", "Организационное обеспечение".
Ключевыми стадиями для успешного создания АСУТП являются самые первые стадии, в которых определяются начальные условия всего процесса создания будущей системы и в значительной степени предопределяется результат:
1. Формирование требований к АСУТП;
2. Разработка концепции АСУТП;
3. Разработка Технического задания на создание АСУТП.
Неформальное и тщательное выполнение этих стадий позволяет избежать множества проблем в последующей реализации проекта. Вместе с тем, не меньшее значение имеет стадия приемо-сдаточных испытаний. Документ "Программа и методика приемо-сдаточных испытаний" должен быть подготовлен самым подробным и тщательным образом с тем, чтобы проверка на соответствие проекта и самой системы требованиям Технического задания дала возможность полностью удостовериться в этом соответствии. Поэтому в главы 11 и 12 выделена часть проектной документации, посвященная стадиям, определяющим начало и завершение проекта создания АСУТП.
В главе 11 "Техническое задание на создание АСУТП" приводится отработанный на опыте практической реализации на различных технологических объектах образец Технического задания на создание АСУТП, который стал непосредственной основой при создании многих АСУТП разного масштаба и уже давно живет своей собственной жизнью.
В главе 12 "Программа и методика испытаний" воспроизводится рабочий вариант проектных документов под общим названием "Программа и методика испытаний", составленный на основе опыта внедрения АСУТП.
Глава условно разделена на две части. В первой части приводится документ технорабочего проекта "Программа и методика испытаний (ПМ)", разработанный с максимально возможным учетом требований отечественной нормативной базы. Приводится полный комплект документов, необходимых для корректного проведения, оформления и утверждения результатов опытных и промышленных приемо-сдаточных испытаний системы.
Во второй части приводится образец Программы и методики испытаний на площадке поставщика системы. Данный вид испытаний является малоизвестным в отечественной практике, и никак не оговаривается отечественными нормативными документами. Однако значимость этого вида испытаний чрезвычайно высока: это означает, что заранее в договоре с поставщиком (разработчиком) системы предполагается, что заказчик сможет внести необходимые корректировки задолго до приемо-сдаточных испытаний на установке.
Кодирование и графическое изображение средств автоматизации является болевой точкой всех без исключения отечественных проектов. Трудно представить себе более нелепый документ, чем принятый в 1985 году Госстроем ГОСТ 21.404-85 "Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах". Кроме изуродованной копии Table 1, взятой со страницы 17 стандарта ANSI/ISA-S5.1-1984 (в ГОСТе она называется Таблица 2), он вообще не содержит какой бы то ни было внятной графической и символьной идентификации параметров в приложении к современным системам управления и защиты технологических процессов.
Базовым международным документом является американский стандарт ANSI/ISA-S5.1-1984 "Instrumentation Symbols and Identification", который признан международной практикой в качестве основного руководящего документа по идентификации параметров автоматизированных систем управления. Однако и этот стандарт имеет ряд пробелов, например, какие бы то ни было определения для параметров состояния и управления исполнительных устройств, определяющих безопасность процесса, в стандарте отсутствуют.
Поэтому глава 13 "Система идентификации", целиком посвященная разработке системы идентификации оборудования КИПиА, контуров и параметров РСУ и ПАЗ, приобретает особое и самостоятельное значение. На основе тщательного анализа стандартов и методик, накопленных автором в результате личного участия во многих проектах создания, модернизации и реконструкции отечественных и импортных производств, предлагается оригинальная система идентификации. Приводятся подготовленные к практическому использованию библиотеки графических элементов монтажно-технологических и функциональных схем автоматизации, включая и технологическое оборудование, и элементы КИПиА.
В главе 14 "Усовершенствованное управление процессом" определяется необходимость применения не только прямых методов создания безопасных систем управления и защиты, но и многоуровневой защиты процесса на дальних подступах к аварийным ситуациям. Основными методами повышения устойчивости системы управления являются: полноценное использование автоматизированной настройки контуров управления, и использование возможностей современных методов управления, таких, как упреждающее управление по предсказывающей модели и многопараметрическое управление.
В главе 15 "Особенности проектирования промышленных систем безопасности" рассматриваются специфические вопросы проектирования систем безопасности. В основе построения современных электронных систем лежит концепция жизненного цикла системы. В главе рассматриваются ключевые аспекты проектирования систем безопасности, такие как структура отказов, резервирование, разделение функций, интерфейс пользователя, диагностика, обслуживание, секретность, документация, интервал функционального тестирования.
Особое внимание в данной главе уделяется определению необходимой степени резервирования и разделения функций для объектов различных категорий взрывоопасности. Разделение функций АСУТП на функции РСУ и функции ПАЗ способно существенно уменьшить вероятность того, что обе функции АСУТП – и управляющие, и функции защиты станут недоступными одновременно, и что невнимательные или неквалифицированные действия персонала повлияют на выполнение функций защиты.
Функциональное разделение РСУ и ПАЗ дает дополнительное преимущество за счет уменьшения вероятности систематических ошибок и влияния общих дефектов – показатель, особенно важный в приложениях I и II категории взрывоопасности (SIL3 и RC5-6).
Существует четыре области, где резервирование и разделение функций особенно необходимо для удовлетворения требований функциональной безопасности АСУТП:
1. Полевые приборы (сенсоры);
2. Конечные исполнительные устройства;
3. Логические решающие устройства (контроллеры);
4. Коммуникации и связь полевого оборудования, РСУ и ПАЗ.
Для каждой из этих четырех областей определяется необходимый уровень требований безопасности. Дополнительно даются рекомендации по управлению и контролю выполнения проекта, приводятся образцы документов, полезных при проведении проектных работ.
Завершающая глава 16 "Выбор. Призыв к осмотрительности" подводит итог всему комплексу проблем безопасной автоматизации, рассмотренных в настоящей работе. Приводятся основные результаты работы, которые необходимо учитывать при выборе и конкретной реализации системы.
Акцентируется внимание на ключевых подходах к построению систем управления и защиты взрывоопасных процессов. Дается настоятельная рекомендация – применение самостоятельной системы обслуживания полевого оборудования, а именно внедрение так называемой Plant Asset Management System – системы управления оборудованием производства, позволяющей производить оперативное тестирование и диагностику оборудования КИПиА.
В завершение главы проводится таблица крупнейших мировых техногенных катастроф с 1970 по 1998 годы. Первоначальный список крупнейших техногенных катастроф для 1970 – 1989 года был составлен межправительственной организацией по экономическому сотрудничеству и развитию OECD (Organization for Economic Co-operation and Development). Затем с разрешения OECD список был продолжен на 1990 – 1998 годы в рамках программы Организации Объединенных Наций UNEP (United Nations Environmental Programme) отделением технологии, промышленности и экономики DTIE (Division of Technology, Industry and Economics). Эти данные разрушают стереотипное представление об отсталости нашего Отечества в вопросах обеспечения промышленной безопасности перед "цивилизованными" странами.
Значительная часть материала книги прошла практические испытания в качестве разработанного автором Стандарта предприятия на Объединении "Нижнекамскнефтехим" начиная с 1999 года, и хорошо известна в среде российских (и не только) поставщиков оборудования и разработчиков АСУТП.
В работу включены методики создания АСУТП, которые в течение ряда лет активно используются практически всеми отечественными и зарубежными партнерами ОАО "Нижнекамскнефтехим" при создании АСУТП:
· АВВ, Москва.
· Yokogawa Electric, Москва.
· Эмерсон, Москва.
· CIS Controls (Siemens), Москва.
· Invensys (Triconex), Москва.
· Гипрокаучук, Москва.
· ВНИПИНефть, Москва.
· Севзапмонтажавтоматика, Санкт-Петербург.
· НПФ ПРИС, Нижнекамск.
· Челнымонтажавтоматика, Набережные Челны.
· Центромонтажавтоматика, Нижнекамск.
· Центравтоматика, Воронеж.
· Союзхимпромпроект, Казань.
· Промавтоматика, Казань.
· Альфаавтоматика, Казань, и т. д.
В особенности это касается следующих компонент:
· Состав и содержание работ по созданию и проектированию АСУТП.
· Состав и содержание документации технического и рабочего проектов.
· Отработанный на опыте практической реализации на многих технологических объектах образец Технического задания на создание АСУТП, а также
· Типовая программа и методика испытаний с полным комплектом документов, необходимых при оформлении и утверждении результатов опытных и промышленных испытаний системы.
Поскольку представленные методики во многом учитывают зарубежный опыт, западные фирмы достаточно благосклонно воспринимают принятый на Объединении подход к созданию автоматизированных систем управления и защиты. Проектная документация в части АСУТП на производство полистирола (разработчик АСУТП – представительство фирмы Йокогава Электрик в России), выполнена в полном соответствии с требованиями, представленными в главе 9 "Состав и содержание работ по созданию АСУТП" и главе 10 "Состав документации проекта АСУТП".
В настоящее время та часть работы, которая непосредственно касается производственного персонала Объединения "Нижнекамскнефтехим", вошла в состав сборника Руководящих технических материалов, изданного ограниченным тиражом Издательско-полиграфическим центром ОАО "Нижнекамскнефтехим" под несколько иным названием: "Принципы построения АСУТП взрывоопасных производств". Однако для выхода в "открытое плавание" предлагаемая к изданию работа существенно переработана и дополнена, и более чем в три раза превосходит по объему вариант, изданный для нужд Объединения. Ко всему прочему, книга построена универсально, и вполне может использоваться в качестве учебного пособия для студентов и преподавателей высших учебных заведений соответствующих специальностей.
Безусловным достоинством работы является ее практическая направленность. Книга позволит и разработчику, и заказчику АСУТП избежать множества проблем, которые обычно сопровождают действительно сложный и трудоемкий процесс создания АСУТП.
Изложенные в работе процедуры выполнения работ по созданию и проектированию АСУТП, рекомендации по учету особенностей проектирования промышленных систем безопасности окажут методическую помощь всем, кто связан с этими проблемами – от разработчиков систем до руководителей предприятий.
В целом работа представляет значительную долю интересов и профессиональных создателей АСУТП, и тех, кто только приступает к вопросам промышленной безопасности.