Иерархические распределенные системы управления. Структура современной системы автоматизации предприятия

Поскольку подпроцессы связаны между собой, автономное управление каждым из них не ведет к достижению оптимального управления всем объектом, поэтому ЛСУ должны быть связаны между собой с целью обмена информацией о своем состоянии с другими ЛСУ и координации совместной работы.

Часто для целей координации выделят отдельные управляющие устройства, которые не влияют непосредственно на технологический процесс, а задают режимы для ЛСУ с целью оптимального ведения процесса управления в целом. В этом случае говорят об иерархическом управлении, вышележащие уровни координируют работу нижележащих. Такая систем управления называется распределенной. С другой стороны, в распределенной системе управления глобальная сложная задача управления всем объектом разбивается на несколько более простых задач, каждая из которых выполняется определенным компонентом системы. Компонентами такой системы выступают различные цифровые устройства, выполняющие отдельные подзадачи управления (ПЛК, микроконтроллеры, регистраторы, устройства группового ввода-вывода, промышленные компьютеры и т.д.)

Современная система автоматизации предприятия имеет распределенную иерархическую структуру с несколькими уровнями управления.

Все объекты, расположенные на одинаковых уровнях иерархии, интенсивно обмениваются информацией между собой; обмен данными между уровнями обычно менее интенсивен и не критичен ко времени. В целом предприятие может рассматриваться как строго упорядоченная система реального времени, в которой информация на каждом уровне должна обрабатываться с соответствующей скоростью (см. табл. 1.1).

Отдельные промышленные сети на различных уровнях иерархии могут иметь различные протоколы и содержать оборудование разных производителей, а также различную физическую среду передачи данных - оптоволокно, медные провода, радиоэфир (радио- или GSM-модемы) и др.

К нижнему уровню иерархии относятся датчики и исполнительные механизмы – устройства, которые непосредственно соприкасаются с процессом. Это уровень локального управления или уровень датчиков/исполнительных механизмов. Датчики и исполниетльные устройства могут иметь интерфейсы типа AS-интерфейс (ASI), 1-Wire или CAN, HART и др. Морально устаревшими интерфейсами нулевого уровня являются аналоговые интерфейсы 4...20 мА, 0...20 мА, 0...5 В и др. В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес и выполняют автоматическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика. Интеллектуальные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаменяемости, в частности, иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика.

Рисунок 1.5 – Иерархическая структура распределенной системы управления

На уровне управления процессом находятся УВМ, контроллеры, модули ввода-вывода, регуляторы – устройства, контролирующие и управляющие процессом с помощью датчиков и исполнительных механизмов и обменивающиеся информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus и др. Уровень управления процессом является самым нижним, на котором принимаются автономные решения.

Таблица 1.1 – Типичные требования к информации о процессах(все показатели – ориентировочные)

Уровень управления	Объем данных	Время реакции	Частота обновления
Стратегическое управление	Мбайты	дни	дни
Управление производством	Кбайты	часы, минуты, секунды	часы, минуты, секунды
Управление участком	байты	секунды (100 мс)	секунды
Управление процессом	биты	миллисекунды	миллисекунды
Локальное управление (датчики, исполнительные механизмы)	биты	миллисекунды	миллисекунды

Следующий – уровень управления участком или диспетчерский уровень. Обычно на этом уровне находятся технологические серверы на базе промышленных компьютеров, напрямую не связанные с технологическим процессом, а предоставляющие интерфейс для оператора. Оператор осуществляет наблюдение за ходом технологического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Обменивается информацией с нижележащим уровнем (опорные значения, текущие значения, нештатные ситуации) и с вышележащим уровнем, обобщая информацию об технологическом процессе. На этом уровне функционируют так называемые SCADA системы, основными функциями которых выступают:

1. Сбор, первичная обработка и накопление информации о параметрах ТП и состояния оборудования от промышленных контроллеров и других цифровых устройств, непосредственно связанных с технологической аппаратурой;

2. Отображение информации о текущих параметрах ТП на экране ПК в виде графических мнемосхем;

3. Отображение графиков текущих значений технологических параметров в реальном времени за заданный интервал;

4. Обнаружение критических и аварийных ситуаций;

5. Вывод на экран ПК технологических и аварийных сообщений;

6. Архивирование истории изменения параметров ТП;

7. Операторское управление ТП;

8. Предоставление данных о параметрах технологического процесса для их использования на вышележащих уровнях.

Перечисленные уровни управления часто объединяют в уровень АСУ ТП – автоматизированных систем управления технологическим процессом.

В случае производственного участка, на котором разные устройства связаны в технологическую цепочку для выполнения определенных операций, происходит интенсивный горизонтальный обмен данными (т. е. на одном уровне) для координации работы различных механизмов при меньшем вертикальном обмене с верхними уровнями. Для верхних уровней управления представляет интерес только поступление материалов и потоков энергии на входе и выходе участка.

На уровне управления производством координируется деятельность нескольких участков для достижения равномерного потока материалов и энергии (выход одного участка является входом для другого). На уровне стратегического управления принимаются общие решения, влияющие на работу всего предприятия. Задачи, решаемые на этих уровнях – управления запасами, складами, бухгалтерия и т.д. Часто об этих двух уровнях говорят как об уровне АСУП – автоматизированных системах управления предприятием.

Несмотря на вынужденную условность, иерархическая модель дает очень полезную основу для анализа и структурирования сложной распределенной системы управления, причем не обязательно предприятием. Например, в автопилоте самолета контуры управления аэродинамическими элементами и двигателями находятся на нижних уровнях иерархии, а вот вопрос, лететь, относится к стратегическим и оставлен на усмотрения летчика.

Связь между элементов распределенной системы управления на одном уровне и между уровнями осуществляется с помощью телекоммуникационных сетей.

В последние годы большой интерес вызывало использование интернет-технологий в задачах управления, причем не только на уровне корпоративного управления, но даже на уровне технологического оборудования. Для этих целей используются web-серверы, которые могут быть расположены как на обычных персональных компьютерах, так и непосредственно в контроллерах или модулях ввода-вывода (так называемые микро web-серверы). С помощью любого web-браузера, например Internet Explorer, можно управлять технологическими процессами, открыв на микро-веб-сервере интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные функции SCADA систем.

2. Какие уровни содержит иерархическая структура распределенной системы управления. В чем состоят их задачи?

3. Перечислите варианты использования ПК в системах управления.

4. В чем основные отличия компьютера и контроллера.

5. Опишите особенности КСУ и их основные задачи.

Дата добавления: 2014-01-13