Основные положения и определения. Тенденции развития технических средств систем диспетчерского управления

Тенденции развития технических средств систем диспетчерского управления

Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие всех 3 основных структурных компонентов систем диспетчерского управления и сбора данных RTU, MTU, CS, что позволило значительно увеличить их возможности; так, число контролируемых удаленных точек в современной SCADA -системе может достигать 100000. Основная тенденция развития технических средств (аппаратного и программного обеспечения) SCADA миграция в сторону полностью открытых систем. Открытая архитектура позволяет выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате – расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение стоимости SCADA -систем.

Удаленные терминалы (RTU). Главная тенденцияразвития удаленных терминалов – увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы строятся на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами верхнего уровня.

Удаленные терминалымогут быть специализированные (бортовые) компьютеры, в том числе мультипроцессорные системы, обычные микрокомпьютеры или персональные ЭВМ (РС); для индустриальных и транспортных систем существует два конкурирующих направления в технике RTU – индустриальные (промышленные) PC и программируемые логические контроллеры PLC.

Индустриальные компьютеры представляют собой программно–совместимые с обычными коммерческими РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации для установки на производстве. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре, и схемотехнике, так как изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения. В качестве операционной системы в промышленных PC, работающих в роли удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы.

Промышленные контроллеры (PLC) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессами (объектами) в реальном времени. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода-вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, других устройств и контроллеров и осуществляющие управление процессом или объектом выдачей управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные PLC часто объединяются в сеть (RS -485, Ethernet, различные типы индустриальных шин), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA -системы диспетчерском пункте управления (MTU). Наиболее развитой архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation (General Electric), Allen-Bradley (Rockwell), Mitsubishi, CONTROL MICROSYSTEMS.

Каналы связи (CS). Каналы связи для современных диспетчерских систем отличаются большим разнообразием; выбор конкретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния между диспетчерским пунктом (MTU) и RTU, числа контролируемых точек, требований по пропускной способности и надежности канала, наличия доступных коммерческих линий связи.

Тенденцией развития CS как структурного компонента SCADA -систем можно считать использование не только большого разнообразия выделенных каналов связи (ISDN, ATM и пр.), но также и корпоративных компьютерных сетей и специализированных индустриальных шин. В современных промышленных, энергетических и транспортных системах большую популярность завоевали индустриальные шины, специализированные быстродействующие каналы связи, позволяющие решать задачу надежности и помехоустойчивости соединений на разных уровнях автоматизации. Существует три основных категории индустриальных шин, характеризующие их назначение (место в системе) и сложность передаваемой информации: Sensor, Device, Field. Многие индустриальные шины охватывают две или даже все три категории. Из всего многообразия индустриальных шин, применяющихся по всему миру (только по Германии их установлено в различных системах около 70 типов) выделяют промышленный вариант Ethernet и PROFIBUS, наиболее популярные в настоящее время и, по-видимому, наиболее перспективные. Применение специализированных протоколов в промышленном Ethernet позволяет избежать свойственного этой шине недетерминизма (из-за метода доступа абонентов CSMA / CD) и в то же время использовать его преимущества как открытого интерфейса. Шина PROFIBUS в настоящее время является одной из перспективных в промышленных и транспортных системах управления; она обеспечивает высокоскоростную (до 12 Мбод) помехоустойчивую передачу данных (кодовое расстояние = 4) на расстояние до 90 км.

Диспетчерские пункты управления (MTU). Главной тенденцией развития MTU (диспетчерских пунктов управления) является переход большинства разработчиков SCADA -систем на архитектуру клиент-сервер, состоящую из 4 функциональных компонентов

1. User (Operator) Interface (интерфейс пользователя/оператора) важная составляющая систем SCADA. Для нее характерны: а) стандартизация интерфейса пользователя вокруг нескольких платформ; б) все более возрастающее влияние Windows NT; в) использование стандартного графического интерфейса пользователя (GUI); г) технологии объектно-ориентированного программирования: DDE, OLE, Active X, OPC (OLE for Process Control), DCOM; д) стандартные средства разработки приложений, наиболее популярные среди которых, Visual Basic for Applications (VBA), Visual C ++; е) появление коммерческих вариантов программного обеспечения класса SCADA / HMI для широкого спектра задач. Объектная независимость позволяет интерфейсу пользователя представлять виртуальные объекты, созданные другими системами.

2. Data Management (управление данными) отход от узкоспециализированных баз данных в сторону поддержки большинства корпоративных реляционных баз данных (Microsoft SQL, Oracle). Функции управления данными и генерации отчетов осуществляются стандартными средствами SQL, 4 GL; эта независимость данных изолирует функции доступа и управления данными от целевых задач SCADA, что позволяет легко разрабатывать дополнительные приложения по анализу и управлению данными.

3. Networking & Services (сети и службы) – переход к использованию стандартных сетевых технологий и протоколов. Службы сетевого управления, защиты и управления доступом, мониторинга транзакций, передачи почтовых сообщений, сканирования доступных ресурсов (процессов) могут выполняться независимо от кода целевой программы SCADA другого разработчика.

4. Real-Time Services (службы реального времени) – освобождение MTU от нагрузки перечисленных выше компонентов дает возможность сконцентрироваться на требованиях производительности для задач реального и квазиреального времени. Данные службы представляют собой быстродействующие процессоры, которые управляют обменом информацией с RTU и SCADA -процессами, осуществляют управление резидентной частью базы данных, оповещение о событиях, выполняют действия по управлению системой, передачу информации о событиях на интерфейс пользователя (оператора).

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию устройств связи с оперативным персоналом.

2. Перечислите принципы выбора SCADA- систем.

3. Дайте краткую характеристику основных функциональных компонентов SCADA- систем.

4. Определите особенности SCADA как процесса управления.

5. Сформулируйте основные требования к SCADA -системам.

6. Дайте характеристику основных структурных компонентов SCADA -системы.

7. Дайте характеристику основных этапов развития АСУ ТП.

РАЗДЕЛ III. УСТРОЙСТВА СВЯЗИ С ОБЪЕКТОМ

Разнообразие технических процессов, для управления которыми создаются СРВ, обусловливает наличие обширной номенклатуры датчиков и исполнительных механизмов, а также разработку соответствующей (тоже широкой) номенклатуры устройств, обеспечивающих автоматический обмен информацией с микро- ЭВМ.

Количество датчиков и исполнительных механизмов для сложного объекта управления исчисляется сотнями и даже тысячами, а номенклатура – десятками. В этой связи возникает задача агрегирования устройства связи с объектом (УСО) в виде электронных модулей, наиболее экономичным способом удовлетворяющие системные требования.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, подсистемы связи с датчиками и исполнительными механизмами АСУ ТП составляют большую часть аппаратуры нижнего уровня и во многих случаях превышают по объему и стоимости электронное оборудование для обработки информации, т.е. микро- ЭВМ. Данный тип устройств выполняют функции вторичного преобразования информации и образуют группу вторичных преобразователей (ВП) УСО. Модули вторичных преобразователей УСО – это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых в специализированные платы с клеммными соединителями или стандартный DIN -рельс.

По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговые УСО (аналого–цифровые преобразователи АЦП, цифро–аналоговые преобразователи ЦАП и др.) должны обладать большой точностью, линейностью и большим напряжением изоляции.

Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, выключателей, контроля наличия напряжения в сети и т.д., а выходные дискретные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО удовлетворяют тем же требованиям, что и аналоговые, но, кроме того, обладают минимальным временем переключения, а выходные обеспечивают коммутацию более высоких токов и напряжений.

Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой информацией. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для сетевого взаимодействия (например, повторители для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS –232/ RS –485).

По направлению прохождения данных модули ВП УСО можно разделить на три типа:

– устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;

– устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;

– двунаправленные.

В СРВ модули УСО могут входить в состав датчиков, которые называют интеллектуальными, или промышленных компьютеров. В этом случае граница между первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри датчика. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в стандартные ISA или PCI слоты компьютера, и аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой вид.

ГЛАВА 4. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Еще Г. Галилей в свое время сказал: "…измеряй то, что измеряемо. А что не измеряемо, сделай измеряемым". Это выражение, сказанное великим ученым в XVII веке, как никогда присуще нашему времени, когда главным являются точные измерения электрических и неэлектрических параметров. Позже Д.И. Менделеев уточнил: “Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры”. Существует большое разнообразие измерительных преобразователей по принципу действия и конструктивному исполнению. В настоящее время современная информационная измерительная техника располагает средствами измерения около 200 различных физических величин: электрические, магнитные, тепловые и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуются в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому важным элементом курса “Системы реального времени” является изучение физических основ измерительного преобразования, преобразователей с различными физическими закономерностями, положенными в основу принципа действия, а также основ их метрологии для определения оптимальных параметров последних.

Измерительная информация это количественная информация о свойствах физических объектов, получаемая в результате измерений.

Измерение представляет собой сравнение одной физической величины с размером другой физической величины, функционально с ней связанной, которая называется эталоном измерения.

Цель измерений – установление истинного значения физической величины в стандартных единицах измерения.

Истинное значение – такое экспериментальное значение, которое так близко к абсолютному, что может его заменить с точностью до погрешности измерений.

Результат измерения – сигнал на выходе системы, несущий информацию в виде значения измеряемой физической величины.

Измеряемая величина – подлежащая измерению физическая величина.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Входной измерительный сигнал – определенный параметр, несущий информацию о значении измеряемой величины. Информативным параметром входного сигнала называется тот параметр процесса, который является измеряемым или функционально связан с измеряемой величиной. Неинформативным параметром является параметр входного сигнала, который функционально не связан с измеряемой величиной, но воздействует на измерительное средство и может быть источником погрешностей.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для преобразования измерительного сигнала в форму, позволяющую наблюдателю воспринимать значение измеряемой величины.

Измерительное преобразование – преобразование входного измерительного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал.

Измерительный преобразователь (ИП) – средство измерения, предназначенное для выработки информативного измерительного сигнала в форме удобной для передачи, преобразования, обработки, хранения, но не для непосредственного восприятия, построенное на определенных физических принципах и выполняющее одно частное измерительное преобразование.

Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний.

Первичный измерительный преобразователь (ПП) представляет собой элементарный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа, в состав которого входит чувствительный элемент (ЧЭ) – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины.

Наряду с термином “измерительный преобразователь” широкое распространение получил термин “датчик”.

Датчик – конструктивно завершенное устройство, размещаемое в процессе измерения непосредственно в зоне исследуемого объекта и выполняющее функцию измерительного преобразователя.

Мера – средство измерений, предназначенное для восприятия физическими величинами заданного размера.

Дата добавления: 2014-12-16