Структура и функции АСУТП

Рис.2. Структура АСУТП.

На рисунке 2 приведена примерная структура современной АСУТП.

1. Объект управления представляет собой комплекс технологического оборудования.

2. Датчики и исполнительные механизмы – устройства, предназначенные для преобразования технологических параметров в информационные показатели и обратно.

Датчик – устройство для преобразования физической величины технологического процесса в стандартный электрический сигнал, передаваемый далее в контроллер.

Исполнительный механизм – устройство для преобразования электрического сигнала, поступающего от контроллера, в то или иное физическое воздействие (например: изменение положения заслонки, открывание - закрывание клапана и т.д.).

Существует огромное множество типов датчиков и исполнительных механизмов.

3. Контроллер. Данное понятие широко распространено в вычислительной технике. Вообще, контроллер (от англ. to control - управлять) – это некое устройство, выполняющее функцию связи между ЭВМ и каким-либо внешним или периферийным объектом.

Применительно к АСУТП, контроллер – это электронное устройство с программным управлением и расширенными аппаратными возможностями измерения, управления и связи. Иначе говоря, контроллер представляет собой электронную схему, управляющую технологическим оборудованием, собирающую и анализирующую данные, на основе которых принимаются те или иные решения. Основное назначение контроллера – связь между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и уровнем управляющих ЭВМ (серверов).

Конструктивно контроллер представляет собой отдельное устройство, имеющее собственное питание. Контроллер может, как правило, функционировать автономно. При этом контроллер выполняется защищенным от пыли, влаги, электромагнитных излучений.

В качестве локальных программируемых логических контроллеров (ПЛК) в настоящее время применяется большое количество устройств как отечественных, так и зарубежных производителей. Примерная структура ПЛК приведена на рисунке 3.

Блок согласования сигналов осуществляет электрическое согласование датчиков и исполнительных механизмов с входом блока преобразования сигналов.

Блок преобразования сигналов преобразует аналоговый электрический сигнал, поступающий от датчиков, в цифровую форму и передает его центральному процессору, а также преобразует

Рис. 3. Примерная структура ПЛК.

управляющие сигналы процессора в форму, необходимую для управления исполнительными механизмами.

Процессор осуществляет управление всеми блоками контроллера, математическую обработку измеренных технологических параметров, организует хранение данных в блоке памяти, а также осуществляет передачу данных через интерфейс в локальную вычислительную сеть (ЛВС). В данном случае роль ЛВС играет промышленная локальная сеть.

Основные задачи, решаемые контроллером:

- измерение, опрос и управление оборудованием;

- первичное преобразование результатов измерений;

- хранение локального архива данных;

- быстрая и надежная доставка информации на следующий уровень автоматизации;

- обеспечение автономной и бесперебойной работы управляемого узла объекта автоматизации;

- автоматическое управление локальным узлом автоматизации.

Информация с локальных контроллеров может направляться в промышленную сеть непосредственно, либо через контроллеры верхнего уровня – концентраторы (см. рис 4).

Концентраторы – это коммуникационные контроллеры; они выполняют функции вторичной обработки информации (преобразование, накопление, сжатие), а также выполняют функции локального управления небольшими группами контроллеров, разгружая тем самым системы верхнего уровня.

Рис. 4. Способы подключения контроллеров к локальной сети.

Перечислим задачи, решаемые концентраторами:

- сбор данных с локальных контроллеров;

- обработка данных;

- поддержание единого времени во всей системе (синхронизация);

- локальная синхронизация работы контроллеров;

- хранение технологических данных;

- организация взаимодействия между локальными контроллерами;

- обмен информацией с верхним уровнем;

- работа в автономном режиме при нарушении связи с верхним уровнем;

- обеспечение резервирования каналов передачи данных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на поступающие сигналы и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОС РВ). Контроллеры под управлением ОС РВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Классы микропроцессорных комплексов

Рис. 5. Классы микропроцессорных комплексов.

1. Контроллер на базе персонального компьютера (PC based control). Это направление существенно развилось в последнее время, ввиду повышения надежности работы персональных компьютеров; наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении; их открытой архитектуры; легкости включения в них любых блоков ввода/вывода, выпускаемых рядом фирм; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления). Основные сферы использования контроллеров на базе PC - специализированные системы автоматизации в медицине, в научных лабораториях, в средствах коммуникации, в промышленности для небольших достаточно замкнутых объектов. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит десятков, а выполняемыми функциями являются либо достаточно сложная обработка измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо расчеты по специализированным формулам, аргументами которых являются измеряемые величины.

В общих терминах можно указать условия рациональной области применения контроллеров на базе PC в промышленности:

- при нескольких входах и выходах объекта надо производить большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени (необходима большая вычислительная мощность);

- средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы обычных персональных компьютеров;

- нет необходимости в использовании жесткого малого времени цикла контроллера;

- реализуемые контроллером функции целесообразнее в силу их нестандартности программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня типа C++, Pascal;

- мощная поддержка работы операторов, реализуемая в обычных контроллерах: диагностика работы, устранение неисправности без остановки работы контроллера, модификация программного обеспечения во время работы системы автоматизации - не имеет большого значения для заданной конкретной задачи.

На рынке PC based control работает в России весьма успешно ряд зарубежных компаний: Octagon, Advantech, Analog Devices и др.

2. Локальный контроллер (PLC - Programmable Logic Controller). В настоящее время распространяются несколько типов локальных контроллеров:

- контроллер, встраиваемый в оборудование (агрегат, машину, прибор) и являющийся его неотъемлемой частью. Примеры такого "интеллектуального" оборудования: станки с программным управлением, автомашинисты, современные аналитические приборы:

- автономный контроллер, реализующий функции контроля и управления небольшим, достаточно изолированным технологическим узлом (объектом).

Контроллеры, обычно, могут иметь десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов: их вычислительная мощность может быть разной (малые, средние и большие контроллеры): они реализуют типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации в другие средства/системы автоматизации.

Примеры продукций зарубежных фирм, относящихся к этому классу программно-технических комплексов (ПТК), приведены ниже

• General Electric Fanuc Automation выпускает контроллеры серии 90 Micro;

• Rockwell Automation выпускает контроллеры серии Micrologix 1000;

• Schneider Electric выпускает контроллеры серии TSX Nano;

• Siemens выпускает контроллеры серии С7-620.

3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network). Этот класс ПТК является наиболее широко распространенным и внедряемым средством управления технологическими процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав такого средства:

• ряд контроллеров;

• несколько дисплейных рабочих станций операторов;

• системная (промышленная) сеть, соединяющая контроллеры и рабочие станции между собой.

Контроллеры определенного сетевого комплекса имеют обычно ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, максимально возможным числом каналов входов и выходов. Это облегчает использование определенного сетевого комплекса для разных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под разные отдельные узлы автоматизируемого агрегата и под разные функции контроля и управления.

Рассматриваемые сетевые комплексы контроллеров имеют верхние ограничения как по сложности выполняемых функций (обычно, типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно, отдельный технологический агрегат, производственный участок).

Большинство работающих в СНГ зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы контроллеров. Отметим, к примеру сетевые комплексы малых контроллеров (порядка сотен входов/выходов на контроллер):

• комплексы серий контроллеров DL 205, DL 305 фирмы Koyo Electronics;

• комплексы серий контроллеров TSX Micro фирмы Schneider Electric;

• комплексы серии контроллеров SLC-500 фирмы Rockwell Automation;

• комплексы серии контроллеров CQM1 фирмы Omron.

Примеры сетевых комплексов больших контроллеров (порядка тысяч входов/выходов на контроллер) возьмем из продукции этих же фирм·

• комплексы серии контроллеров DL 405 фирмы Коуо Electronics;

• комплексы серий контроллеров TSX Premium фирмы Schneider Electric;

• комплексы серии контроллеров PLC-5 фирмы Rockwell Automation;

• комплексы серии контроллеров С200 фирмы Omron.

4. Распределенные маломасштабные системы управления (DCS – Distributed Control Systems, Smaller Scale).

Этот класс микропроцессорных средств частично пересекается с классом сетевых комплексов контроллеров, но в среднем превосходит большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и/или гибкости структуры, а следовательно, и по объему и сложности выполняемых функций. В целом он еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства и по реализуемым функциям.

Основные отличия данных средств от сетевых комплексов контроллеров заключаются в несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, развитую многоуровневой сетевой структуре, в большей мощности центральных процессоров контроллеров, в широком использовании отдельных конструктивов удаленных блоков ввода/вывода, рассчитанных на работу в различных условиях окружающей среды; в более развитой и гибкой связи с полевыми приборами и с корпоративной сетью предприятия. Зачастую они имеют несколько уровней системных сетей, соединяющих контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и рабочей станции отдельного компактно расположенного технологического узла и верхний уровень, реализующий связи средств управления отдельных узлов друг с другом и с рабочей станцией диспетчера всего автоматизируемого участка производства). В ряде случаев развитие сетевой структуры идет в направлении создания ряда полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами (датчиками и исполнительными устройствами). Такие достаточно простые и дешевые сети позволяют передавать информацию между контроллерами и полевыми интеллектуальными приборами в цифровом виде по одной витой паре, что резко сокращает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой информации на значительные расстояния.

В целом маломасштабные распределенные системы управления охватывают отдельные цеха и участки производства и, в дополнении к обычным функциям контроля и управления, часто могут реализовывать более сложные и объемные алгоритмы управления (например, задачи статической и динамической оптимизации работы автоматизируемого объекта). При этом сами сложные алгоритмы в зависимости от их объема и требуемой динамики выполнения реализуются либо в самих контроллерах, либо в вычислительных мощностях пультов операторов.

Следует отметить, что, используя нечеткость границ классификации ПТК и их изменчивость во времени, связанную с непрерывной модернизацией отдельных составляющих ПТК. некоторые фирмы, в рекламных целях, называют свои достаточно ограниченные по мощности и возможностям сетевые комплексы контроллеров распределенными системами управления.

Ряд распространяемых в СНГ зарубежными фирмами ПТК можно отнести к данному классу средств. Примеры маломасштабных распределенных систем:

• ControlLogix разработки фирмы Rockwell Automation;

• Simatic S7-400 разработки фирмы Siemens;

• TSX Quantum разработки фирмы Schneider Electric.

5. Полномасштабные распределенные системы управления (DCS, Full Scale).

Данный класс ПТК имеет все особенности вышеперечисленных классов микропроцессорных средств управления и дополнительно имеет ряд из перечисленных ниже свойств, влияющих на возможности полномасштабного использования этих средств на предприятиях:

a) Развитая сетевая структура.

- наличие всех трех уровней сетей (информационная, системная, полевая) с имеющимися вариантами сетей отдельных уровней;

- использование мощных системных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и пультов) и распределять эти узлы на значительные (многокилометровые) расстояния;

- высокие скорости основных сетей и поддержка ими приоритетной передачи важнейших сообщений/команд;

- широкое и проработанное в масштабах данной системы использование информационных сетей (обычно, сети Ethernet) для связи рабочих станций операторов друг с другом, для их связи с серверами баз данных, для взаимодействия данного ПТК с корпоративной сетью предприятия, для возможности построения необходимой иерархии управляющих центров (планирование, диспетчеризация, оперативное управление);

б) Широкий диапазон мощностей входящих в систему контроллеров.

- вариантность по числу обслуживаемых входов/выходов (от сотен до десятков тысяч опрашиваемых датчиков);

- наличие модификаций, различающихся мощностью основного микропроцессора, быстродействием, объемами памяти разного типа, возможностями резервирования, степенью защиты от неблагоприятных условий окружающей среды;

- возможность в некоторых мощных модификациях контроллеров реализовать многие современные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы контроля, диагностики, моделирования, управления.

в) Разнообразие вариантов блоков ввода/вывода.

- наличие встроенных в контроллер и удаленных блоков ввода/вывода, рассчитанных на практически любые типы датчиков и исполнительных механизмов;

- модификации удаленных блоков ввода/вывода для разнообразных условий промышленной окружающей среды;

- варианты «интеллектуальных» блоков ввода/вывода, реализующих, в том числе, простейшие алгоритмы контроля и управления;

г) Широта модификаций рабочих станций.

- возможный выбор вариантов рабочих станций по мощности и назначению: стационарные и переносные пульты операторов технологических процессов, диспетчерские рабочие станции, контролирующие рабочие станции руководящего персонала, инженерные станции;

- работа взаимодействующих рабочих станций управления в клиент/серверном режиме;

- конструктивное оформление пультов операторов с учетом эргономических требований.

д) Современность программного обеспечения системы.

- развитые сетевые SCADA-программы, имеющие модификации для различных уровней управления;

- набор технологических языков, обеспечивающих задачи контроля, логического управления, регулирования и имеющих мощные библиотеки типовых программных модулей, включающих в себя ряд эффективных современных модулей типа «Advance Control»;

- наличие в составе программного обеспечения системы ряда прикладных пакетов программ, реализующих функции эффективного управления отдельными агрегатами (многосвязное регулирование, нейрорегуляторы и регуляторы на нечеткой логике оптимизация и т. д.), функции диспетчерского управления участками производства (компьютерная поддержка принятия управленческих решений), функции технического учета и планирования производства в целом;

- пакет программ автоматизации проектирования и документирования системы автоматизации.

е) Развитость верхнего уровня управления производством.

- проработка средств хранения и обмена информацией с другими системами автоматизации разных уровней управления и разного назначения;

- наличие программных и технических средств построения ряда уровней управления производством: планирования, диспетчеризации, оперативного управления участками, динамического управления отдельными агрегатами;

- включение в комплекс ряда функций по обслуживанию производства (типа управления складами, обслуживания оборудования, контроля за движением материальных потоков).

Примеры фирм: АББ - Symphony; Honeywell - ТРС и PlantScape; Valmet - Damatic XDi; Yokogava -Centum CS, Foxboro - I/A Series, Emerson - DeltaV и др.

4. Промышленная локальная сеть. Обычно выделяют, по назначению и функциям коммуникации, двух видов:

- промышленные сети, связывающие контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов,

- полевые каналы и сети, связывающие контроллеры с удаленными (выносными) блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами.

Эти коммуникации не имеют четкой разделяющей их границы, некоторые сети могут использоваться для обоих указанных целей, поэтому они обычно объединяются общим наименованием - Fieldbus, что в буквальном переводе обозначает "полевая шина", а обычно в русском языке принято называть "промышленная сеть". Промышленную локальную сеть называют также промышленной шиной.

Шина – это средство обеспечения взаимодействия близко расположенных объектов. Характерной особенностью шины как устройства является тот факт, что все взаимодействующие компоненты подключаются к шине одинаковым образом. Шины тем или иным образом присутствуют на всех уровнях автоматизации. В настоящее время наиболее распространены следующие топологии сетей.

1) Общая шина.

Рис. 6. Топология сети «Общая шина».

- возможно подключение / отключение устройств во время работы;

- опасность потери связи при одиночном обрыве;

- присутствие общего трафика во всей системе;

- широко используется для сильно распределенных объектов (дешевизна).

2) «Кольцо».

Рис. 7. Топология сети «Кольцо».

- хорошая пропускная способность;

- высокая стоимость;

- нерациональное использование сетевого трафика;

- потеря синхронизации всей сети в случае отказа хотя бы одного из узлов.

3) «Звезда».

Рис. 8. Топология сети «Звезда».

- дополнительная защита сети от выхода узлов из строя;

- опасность аварии при выходе из строя устройства связи;

- оптимизация трафика.

Промышленная сеть обладает рядом специфических особенностей, выделяющих ее в отдельный класс, отличный от информационных сетей:

- работа в режиме реального времени;

- необходимость предсказуемости времени передачи сообщений и гарантия их доставки по назначению;

- отсутствие передаваемых больших массивов информации;

- обязательная повышенная надежность передачи данных в промышленной среде (в частности, при электромагнитных помехах);

- предпочтительная работа на недорогих физических средах;

- возможность больших расстояний между узлами сети;

- упрочненная механическая конструкция аппаратуры сети.

Если выделить из промышленных сетей подкласс чисто полевых сетей, то они призваны подключать к контроллерам расположенные непосредственно по месту нахождения оборудования блоки ввода/вывода, а также интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы. Для их распространения требуется, чтобы каждое подключаемое к сети устройство (в том числе, любой прибор) имело вычислительный ресурс, т. е. было бы интеллектуальным. Тогда подключение приборов к контроллерам становится цифровым, децентрализованным; они объединяются между собою цифровой, двунаправленной, последовательной коммуникационной сетью; при этом каждый прибор будет обслуживать двунаправленную связь. Подкласс чисто полевых сетей по сравнению с общими промышленными сетями отличается значениями основных характеристик сетей: меньшей длиной сети, меньшей скоростью, меньшим объемом передаваемых данных за цикл, меньшей стоимостью сетевых компонентов.

Последнее время появился международный стандарт на промышленную и полевую управляющие сети - стандарт IEC 61158. По этому стандарту следующие сети признаны стандартными промышленными управляющими сетями:

- Technical specification TS 61158;

- ControlNet;

- Profibus;

- P-Net;

- Foundation Fieldbus;

- SwiftNet;

- WorldFip;

- Interbus.

Следует подчеркнуть, что из всех этих сетей подавляющее распространение в мире получили сети Profibus и Foundation Fieldbus.

5. Уровень АРМ подробно рассматривается во втором разделе данного пособия, посвященном SCADA-системам.

6. Сервер (управляющая ЭВМ). На уровне управляющих ЭВМ решаются следующие задачи:

- управление технологическими контроллерами;

- ведение архивов технологической информации;

- обеспечение работы автоматизированных рабочих мест (АРМов).

На рисунке 2 показана структура, при которой задачи управления и ведения архивов разделены между двумя вычислительными машинами. В реальности, уровень управляющих ЭВМ может быть представлен различными архитектурами, от одиночной вычислительной машины до больших вычислительных систем (мейнфреймов), объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Очевидно, что для обеспечения функционирования уровня управляющих ЭВМ необходимо специализированное программное обеспечение. В качестве такого программного обеспечения используются системы SCADA.

Использование систем SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – (системы диспетчерского управления и сбора данных) является в настоящее время основным и наиболее перспективным методом управления сложными динамическими системами. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в ряде отраслей промышленности и народного хозяйства.

Всю совокупность программного обеспечения SCADA-систем можно подразделить на две большие группы.

1) Серверное ПО. Данное ПО предназначено для:

- обеспечения процесса управления технологическим оборудованием;

- ведения архивов данных;

- обеспечения двусторонней связи АРМов и технологического оборудования.

2) Прикладное ПО. Данное ПО выполняет следующие функции:

- реализация АРМ на локальных рабочих станциях;

- обеспечение пользовательского интерфейса.

Также прикладное ПО предоставляет средства проектирования АРМов, алгоритмов управления, связей с технологическими контроллерами и т.д.

Дата добавления: 2014-01-06