Автоматизированные системы управления техническим процессом

по степени автоматизации задач управления;

по функционально-алгоритмическому признаку;

по архитектурному признаку.

По характеру управляемого технологического процесса АСУТП можно разделить на следующие большие классы:

АСУ основными непрерывными технологическими процессами;

АСУ основными непрерывно-дискретными процессами;

АСУ основными дискретными процессами;

АСУ сборочными процессами в дискретном производстве;

АСУ контрольными операциями и процессами;

АСУ процессами изготовления оснастки и инструментов для основного производства.

Основные функции АСУ

В общеотраслевых руководящих методических материалах по созданию АСУ в различных отраслях промышленности отмечается, что основными для этих систем являются информационно-вычислительные и управляющие функции.

К информационно-вычислительным функциям относятся:

- сбор, первичная обработка и хранение информации;

- косвенные измерения параметров процесса и состояния технологического оборудования;

- сигнализация состояний технологических параметров и оборудования;

- контроль и регистрация отклонений параметров технологического процесса от заданных;

- анализ срабатывания блокировок и защит технологического оборудования;

- диагностика и прогнозирование технологического процесса;

- диагностика и прогнозирование состояния комплекса технических средств;

- оперативное отображение информации и рекомендации по ведению ТП и управлению технологическим оборудованием;

К управляющим функциям относятся:

- однотактное логическое управление (выполнение блокировок, защит и т. п.);

- регулирование отдельных параметров ТП;

- каскадное регулирование;

- многосвязное регулирование;

- дискретное управление технологическими процессами и оборудованием;

- оптимальное управление установившимися и неустановившимися режимами;

- адаптивное управление.

Дополнительные функции АСУТП:

- подготовка информации для вышестоящих и смежных систем и уровней управления (регистрация простоя оборудования, причин аварии, времени ремонта и т. п.);

- расчёт технико-экономических и технических показателей, например, стоимость топлива ?

Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов

Функции АСУТП выбираются из списка, в котором они сгруппированы по своему назначению, например, для контроля, управления, исследования, планирования и т.д. Функция представляется в виде последовательности трех процессов:

ввода (сбора) данных,

обработки и

вывода результатов.

Процесс ввода характеризуется:

- числом и видом каналов;

- периодом или математическим ожиданием частоты опроса каналов;

- допустимым временем задержки ввода по одному каналу;

- требуемой точностью представления данных.

Процесс обработки характеризуется:

- временем использования процессора для реализации операции ввода;

- периодом или математическим ожиданием вызова параметров;

- объемом памяти, занимаемым программами обработки и подготовки для вывода;

- временем использования процессора для реализации вывода;

- видами обработки;

- временем обработки одного параметра, которое может быть оценено по объему памяти, занимаемому программами обработок, и производительности процессора, используемого в УВК.

Вывод обработанных данных (аналоговых, дискретных, символьных) на объект управления и оператору характеризуется:

- объемом выводимой информации;

- допустимым временем задержки устройств;

- объемом памяти программ вывода;

- периодом или математическим ожиданием интервала между выводами.

Перечисленные характеристики получают в процессе изучения объекта управления. Например, достаточно широкий класс объектов c непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства имеет следующие пределы изменения основных показателей:

- количество входных аналоговых сигналов - 150-3000;

- количество входных дискретных сигналов - 200-2000;

- количество регулирующих органов - 10-200;

- количество выходных двухпозиционных сигналов - 100-1000; .

- объем информации, выдаваемой на индикацию и регистрацию, 250-1600 бит/с;

- время реакции системы на изменения состояния объекта, 0,1-10с;

- наработка на отказ функций, реализуемых в системе, 100 - 10000, ч.

Данные по реализуемым функциям удобно сводить в таблицу, подобную табл. 4. После исследования ТП и изучения процессов контроля и управления правый столбец табл. 4 должен быть заполнен числовыми значениями параметров, указанных в её центральной части.

Более подробную информацию по заполнению табл. 4 можно найти в учебно-методическом пособии [57].

После изучения технологического процесса как объекта управления и анализа функций проектируемой АСУТП приступают к реализации этапов разработки системы, которая в силу своей сложности обычно представляется в виде ряда подсистем таких, как подсистема сбора и первичной обработки информации, подсистема управления и выдачи управляющих воздействий, подсистема формирования сводных показателей, подсистема регистрации и анализа производственной ситуации.

Классификационные признаки АСУТП

Классификация по степени сложности управляемого процесса

основывается на условных границах числа параметров контроля и управления процессом. Для предприятий с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства выделяются количественные границы: 20, 40, 100, 800 параметров. Указанная классификация имеет существенное значение при проектировании и создании АСУТП.

При делении систем по степени охвата управляемого процесса выделяют два основных класса:

· комплексные АСУТП

· локальные АСУТП.

Классификация по степени автоматизации задач управления основывается на признаке технического совершенства АСУТП как кибернетической системы. Выделяют три основных класса:

- системы с автоматическим сбором и обработкой информации (информационные) ;

- системы с автоматической выработкой советов оперативному персоналу (информационно - советующие);

- системы автоматического управления процессом (управляющие).

Классификация по функционально-алгоритмическому признаку определяет функции и степень совершенства алгоритма управления, реализующего АСУТП. В соответствии с этим признаком выделяют системы управления:

· логико-программного,

· экстремального,

· адаптивного,

· организационно-технологического,

По архитектурному признаку системы различаются в соответствии с системно-техническим решением, принятым при их построении. При создании иерархических систем выделяют одноуровневые, двухуровневые и более системы.

Чтобы технологический процесс стал управляемым, необходимо разработать методы управления, определить входные воздействия, установить зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработать методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров.

Отличие автоматических систем управления от систем автоматического управления

Первым отличительным признаком автоматизированных систем управления (АСУ) от систем автоматического управления (САУ) является наличие в контуре человека-оператора (диспетчера). Кроме того, возможность выполнения дополнительных функций, благодаря использованию современных компьютерных технологий. Наглядным примером может служить одноконтурная система регулирования температуры воды на выходе теплообменника [58], которая представлена на рис. 2.

Рис. 2

Вода подогревается до нужной температуры за счет энергии отработанного пара. Если реальная температура подогреваемой воды Треал, измеряемая термопарой, отличается от заданной Тзад, то управляющее устройство УУ, состоящее из измерительного, регулирующего блоков и усилителя мощности, вырабатывает управляющее воздействие на мотор М, регулирующий отбор отработанного пара так, чтобы скомпенсировать эту разницу.

Несмотря на то, что регулирование в контуре осуществляется по ПИД-закону, обеспечить максимальный КПД теплообменника без дополнительных функций и устройств в рассматриваемой системе не представляется возможным.

Для этой цели рекомендуется использовать АСУ теплообменником, функциональная структура которой показана на рис. 21 [58].

Дополнительные датчики температуры Т1 и расхода Q1 питательной воды, температуры Т2 и расхода горячего пара Q2 позволяют при наличии устройств преобразования аналоговой информации в цифровую и обратно (на рис. 21 не показаны) реализовать функции:

- Ф1 - расчет задания Q2зад в соответствии с принятым критерием, учетом ситуации на объекте и использованием модели теплообменника;

- Ф2 - визуализация основных параметров для диспетчера;

- Ф3 - регулирование расхода Q2 по ПИД-закону с проверкой дополнительных условий;

- Ф4 - расчет технико-экономических параметров (ТЭП).

Режимы функционирования АСУ ТП

При создании АСУТП должны быть определены цель ее функционирования и роль, которая отводится этой системе в общей структуре управления предприятием. В соответствии с заданными функциями как вся система, так и входящие в нее подсистемы могут работать в различных режимах. Таких режимов может быть четыре:

1. режим сбора данных;

2. режим советчика оператора;

3. супервизорное управление;

4. непосредственное цифровое управление (НЦУ).

Информационно-измерительные системы или работа системы в режиме сбора данных предназначены для сбора и выдачи информации о состоянии объекта управления.

Информационно-измерительные системы (подсистемы) являются обязательной частью любых АСУ ТП, обеспечивая управляющую часть объективной информацией о состоянии объекта управления.

В виде самостоятельных систем или режимов работы АСУТП применяются для изучения поведения объектов управления в различных условиях.Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, а обеспечивает накопление и обработку данных о поведении процесса и (или) объекта.

Информационно-управляющие системы в режиме советчика.

На основании информации о параметрах технологического процесса, поступающей от датчиков, установленных на объекте, рассчитанных ТЭП и алгоритмов выработки управляющих воздействий, УВМ производит расчет оптимальных условий ведения технологического процесса. Результаты расчета - советы по управлению представляются оператору-технологу либо в печатном виде, либо высвечиваются на информационном табло. Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов или выполняя другие действия в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми АСУ. УВМ при этом работает в ритме процесса в разомкнутом контуре. Роль следящего и управляющего звена выполняет оператор-технолог, который обычно "тонко чувствует" процесс и контролирует правильность выданных советов. УВМ поручается следить за возникновением аварийных ситуаций, причем, как правило, по значительно большему числу параметров, чем это мог бы сделать оператор. Однако участие человека в контуре управления имеет и свои недостатки, которые особенно проявляются при сложной системе управления. Если оператору приходится выполнять много настроек регуляторов в минуту, то к концу рабочей смены неизбежны ошибки, которые повлекут за собой ухудшение качества выпускаемой продукции.

АСУТП в режиме супервизорного управления. Задача режима супервизорного управления - поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. При этом значения управляющих воздействии выдаются не оператору, а преобразуются в форму, удобную для изменения настроек регуляторов. УВМ работает в замкнутом контуре управления, оператору же отводится роль наблюдателя.

АСУТП в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ). Отличие АСУТП в режиме НЦУ от описанных ранее заключается в том, что сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов на объекте, поступают непосредственно от АСУ, а регуляторы вообще исключаются из системы. На вычислительные средства АСУ возлагаются такие функции; как реализация различных законов регулирования, связей между отдельными контурами - многосвязного регулирования, управления по возмущению, адаптивного управления. Для формирования сигналов, воздействующих на управляющие органы, вычислительный комплекс АСУТП включает в себя устройства связи с объектом.

Одним из главных преимуществ использования АСУТП в режиме НЦУ является гибкость управления благодаря возможности изменения алгоритмов путем внесения изменений в хранимую программу.

Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе АСУ.

Разновидности структур АСУТП

Функциональная структура (ФС) определяет класс целей, для достижения которых проектируется АСУТП. Обычно такая структура состоит из нескольких подсистем, отличающихся по своему функциональному назначению. В частности, можно выделить следующие подсистемы:

- подсистема сбора и первичной обработки информации, предназначенная для опроса аналоговых, дискретных датчиков с обработкой и анализом информации об объекте управления;

- подсистема управления и выдачи управляющих воздействий;

- подсистема формирования сводных показателей;

- подсистема регистрации и анализа производственной ситуации.

Современные компьютерные технологии позволяют объединить указанные функции благодаря SCADA-системам.

Алгоритмическая структура (АС) представляет собой совокупность алгоритмов и условий их работы. На этой структуре указываются связи, определяющие последовательность выполнения алгоритмов.

При проектировании сложных систем вначале составляют укрупненную алгоритмическую структуру. Затем разрабатывают более детализированную алгоритмическую структуру.

Техническая структура (ТС) представляет собой комплекс технических средств в виде отдельных модулей и блоков, предназначенных для реализации функций АСУТП. На этой структуре указываются связи между блоками и приводится, в случае необходимости, поясняющий текст. Информационная структура (ИС) связывает подсистемы АСУТП с транспортными средствами, вспомогательными механизмами и, в случае использования нестандартных блоков указывает уровни сигналов на входах и выходах этих блоков для согласования со стандартным оборудованием. ИС автоматически собирает данные о значениях параметров технологических процессов путем съема показаний с датчиков и прочих приборов. Эта информация сообщается диспетчеру и управляющей подсистеме. Оператор-технолог может получать информацию посредством запроса.

Организационная структура (ОС) - совокупность правил и инструкций, устанавливающих нормы работы персонала и комплекса технических средств по управлению технологическим оборудованием в нормальных, предаварийных и аварийных режимах. Синтез любой из перечисленных структур представляет собой сложную исследовательскую задачу.

Технические средства автоматизации и управления

Повышение технико-экономических показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления (СУ) к изменяющимся свойствам объектов (ТП)улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.

В настоящее время технические средства автоматизации и управления (ТСА и У) компонуются в агрегатные комплексы технических средств (КТС), которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и оригинальных задач по автоматизации технологических процессов.

Идеология развития програмно-аппаратных комплексов формируется исходя из потребностей промышленности, которые находят свое отражение в национальных и международных стандартах ТСА и У в системах управления выполняют следующие функции: 1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса; 2. передачу информации по каналам связи; 3. преобразование, хранение и обработка информации; 4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем); 5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс с помощью исполнительных механизмов и связи с оператором

Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в следующие функциональные группы: 1. средства на входе системы (датчики); 2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых); 3. внутрисистемные ТСА (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором; 4. средства передачи, хранения и обработки информации.

Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТСА приводит к многоальтернативной проблеме выбора технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае.

Обычно задача выбора технических средств для СУ ТП формируется следующим образом: из множества возможных вариантов построения комплекса ТС для конкретной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) нужно выбрать и обосновать такой комплекс технических средств, который обеспечивает решение заданного набора функциональных задач системы автоматизации с заданным качеством при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат с учетом обеспечения возможности функционирования системы управления в условиях прогнозируемого изменения состава задач автоматизированого технологического комплекса (АТК). В условиях современного массового производства средств автоматизации в некоторых (большинстве) случаях процесс комплектации определяется не тольбко технико-экономической целесообразностью, а и возможностями поставок оборудования и привычками проектировщиков.

Комплекс работ по непосредственному формированию КТС включает в себя два тесно связанных между собой этапа -

- этап системотехнического синтеза, и том числе разработка и обоснование структуры, целей и функций АСУ ТП, ее функциональной схемы, информацоинного и программного обеспечеиня;

- этап аппаратурно-техническго синтеза, в том числе выбор технических средств систем локальной автоматики, контроллеров, програмно-технических комплексов, средств связи с технологическим объектом управления (ТОУ); разработка технических заданий на недостающие технические средства, планов размещения КТС.

В общем случае классификация ТСА по функциональному назначению может быть представлена в соответствии с рис .1.

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в АСУ

СУ - система управления; ОУ - объект управления; КС - каналы связи;

ЗУ - задающие устройства; УПИ - устройства переработки нформации; УсПУ - усилительно-преобразовательные устройства; УОИ - устройства отображения информации; ИМ - исполнительные механизмы; РО - рабочие органы; КУ - контрольные устройства; Д - датчики; ВП - вторичные преобразователи

Исторически тенденции развития ТСА проходят по пути:

1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

- в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

- в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

- в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

- в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств, интернета, GSM).

2. Усложнение элементной базы - переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции

3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

Функциональный состав программно-технических комплексов

В настоящее время на рынке промышленной автоматизации присутствует несколько сотен самых разнообразных ПТК как отечественных, так и зарубежных производителей. Все они отличаются своей структурой, информационной мощностью, эксплуатационными характеристиками (диапазон температур, влажности, возможность использования во взрыво- и пожароопасных производствах), стоимостью и др.

Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить несколько функциональных элементов, присущих большинству из них: промышленные сети;

· программируемые логические контроллеры или контроллеры на базе PC, интеллектуальные устройства связи с объектом;

· рабочие станции и серверы различного назначения;

· прикладное программное обеспечение.

Структура ПТК в первую очередь определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от:

* числа имеющихся сетевых уровней;

* возможных типов связи (топологий) на каждом уровне сети: шина, звезда, кольцо;

* параметров сети каждого уровня: типов кабеля, допустимых расстояний, максимального количества узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки).

Указанные свойства ПТК характеризуют возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного на данном ПТК; возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур ПТК представлена на рис. 2. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй - пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет:

· сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления;

· предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование);

· реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления;

· передачу и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора:

· формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня,

· получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса,

· отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде,

· осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса,

· производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Рис. 2. Структура ПТК

Увеличение информационной мощности объекта управления (количества входных/выходных переменных) , расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программно-технических комплексов (рис. 3).

Операционные системы (ОС) семейства Windows фирмы Microsoft практически полностью завоевали рынок офисных компьютеров и активно осваивают уровень промышленной автоматизации. Большинство серверов и рабочих станций функционируют под управлением ОС Windows NT/2000/XP. Некоторые технологии Microsoft уже сейчас стали промышленным стандартом.

Использование архитектуры «Клиент-сервер» позволяет повысить эффективность и скорость работы всей системы, повысить надежность и живучесть системы за счет резервирования серверов, рабочих станций, территориальным распределением решаемых задач.

Серверы, как правило, выполняются на базе промышленных компьютеров и являются резервируемыми. Наименование серверов в различных ПТК различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др. Основные функции:

* сбор, обработка оперативных данных от устройств связи с объектом и контроллеров;

* передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления;

*хранение и отображение информации о заданных переменных;

* предоставление требуемой информации клиентским рабочим станциям;

* архивация трендов, печатных документов и протоколов событий.

Рис. 3. Структура ПТК

Современные ПТК, как правило, включают станции инжиниринга, выполненные на базе персональных компьютеров в офисном исполнении. С их помощью осуществляется инженерное обслуживание контроллеров:

· программирование,

· наладка,

· настройка.

В некоторых ПТК станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных ПТК связана с активным проникновением Internet-технологий на уровень промышленной автоматизации. Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами встраивают поддержку данных технологий в свои продукты.

Наиболее широким применением Internet-технологий в АСУ ТП является публикация на Web-серверах информации о ходе ТП и всевозможных сводных отчетов. Web-серверы имеют возможность взаимодействовать с сервером БД, который хранит необходимую информацию о процессе. Это позволяет клиенту через браузер (Internet-обозреватель) делать необходимые запросы к базе данных. Такой подход к тому же минимизирует затраты, так как не требует на стороне клиента установки какого бы то ни было дополнительного программного обеспечения, кроме обычных программ-браузеров (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) - представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСПиСА) была разработана на стандартных внутренних и внешних связях, рациональных структурах и конструктивных формах в модульно-блочном построении ее функциональных устройств и предусматривает их агрегатирование в комплексах измерительной, вычислительной, аналитической и других видов построения систем информации, контроля, регулирования и управления. Общие принципы построения ГСП и ее состав были определены в результате исследований в различных отраслях промышленности.

Типизация - это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация - это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств.

Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование - это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

ГСП представляет собой сложную систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Необходимо отметить, что заложенные в ГСП принципы не потеряли своей актуальности и сегодня. Так рассмотривая функционально-иерархическую структуру технических средств (рис. 3) имеем пять иерархических уровней.

Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП

Конструктивно-технологическая структура ГСП представлена на рис. 5.

Рис. 5. Конструктивно-технологическая структура ГСП

В составе ГСП выделяются комплексы технических средств - унифицированные (УКТС), агрегатные (АКТС) и программно-технические (ПТК).

УКТС (унифицированный комплекс технических средств) - совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатный комплекс технических средств) - совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу.

ПТК (программно-технический комплекс) - совокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности.

Совместимость средств ГСП

В основу ГСП была положена совместимость, обеспечивающая возможность функционирования средств автоматизации в единой системе без дополнительной их подгонки, по следующим основным признакам (рис.6)

Рис. 6.Совместимость средств ГСП

Для примера рассмотрим более подробно информационную совместимость ТСА по уровням входных/выходных унифицированных сигналов, т.е. сигналов дистанционной передачи информации с унифицированными параметрами, обеспечивающими информационное сопряжение (интерфейс) между различными приборами, блоками и системами АСУ ТП (табл. 3).

Унифицированные сигналы Таблица 3

Электрические сигналы	Пневматические сигналы
Аналоговые	Дискретные	Аналоговые	Дискретные
= I [мА]	= U [мВ]	~ U [В]	~г [кГц]	= U [В]	[кПа]
0 - 5; -5 - +5; 4 - 20	0 - 10; -10 - +10; 0 - 1000	0 - 2; -1 - +1	0 - 8; 2 - 4; 0 - 100	для TTL: «0» ? +0,4 «1» ? +2,4	для УСЭППА:
					20 - 100	«0» ? 10 «1» ? 110

Сети передачи данных, входящие в состав АСУ ТП

Сети передачи данных, входящие в состав АСУ ТП, можно условно разделить на два класса: 1. Полевые шины (Field Buses); 2. Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses). Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена. Пример полевой шины представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Полевая шина.

Как уже было отмечено, существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже: 1. Profibus DP 2. Profibus PA 3. Foundation Fieldbus 4. Modbus RTU 5. HART 6. DeviceNet Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта - используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях.

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д.

Требования к полевым шинам

1. Детерминированность. Под этим подразумевается, что передача сообщения из одного узла сети в другой занимает строго фиксированный отрезок времени. Офисные сети, построенные по технологии Ethernet, - это отличный пример недетерминированной сети. Сам алгоритм доступа к разделяемой среде по методу CSMA/CD не определяет время, за которое кадр из одного узла сети будет передан другому, и, строго говоря, нет никаких гарантий, что кадр вообще дойдет до адресата. Для промышленных сетей это недопустимо. Время передачи сообщения должно быть ограничено и в общем случае, с учетом количества узлов, скорости передачи данных и длины сообщений, может быть заранее рассчитано. 2. Поддержка больших расстояний. Это существенное требование, ведь расстояние между объектами управления может порой достигать нескольких километров. Применяемый протокол должен быть ориентирован на использование в сетях большой протяженности. 3. Защита от электромагнитных наводок. Длинные линии в особенности подвержены пагубному влиянию электромагнитных помех, излучаемых различными электрическими агрегатами. Сильные помехи в линии могут исказить передаваемые данные до неузнаваемости. Для защиты от таких помех применяют специальные экранированные кабели, а также оптоволокно, которое, в силу световой природы информационного сигнала, вообще нечувствительно к электромагнитным наводкам. Кроме этого, в промышленных сетях должны использоваться специальные методы цифрового кодирования данных, препятствующие их искажению в процессе передачи или, по крайней мере, позволяющие эффективно детектировать искаженные данные принимающим узлом. 4. Упрочненная механическая конструкция кабелей и соединителей. Здесь тоже нет ничего удивительного, если представить, в каких условиях зачастую приходиться прокладывать коммуникационные линии. Кабели и соединители должны быть прочными, долговечными и приспособленными для использования в самых тяжелых окружающих условиях (в том числе агрессивных атмосферах).

Физические среды полевых шин

1. Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля. Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей. Эти работы должны выполняться квалифицированными специалистами. 2. Полевые шины, построенные на базе медного кабеля. Как правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания.

Методы повышения отказоустойчивости полевых шин

Рассмотрим методы обеспечения отказоустойчивости коммуникационных сетей, применяемых на полевом уровне. При проектировании и реализации этот аспект становиться ключевым, так как в большой степени определяет характеристики надежности всей системы управления в целом. На рисунке 2 изображена базовая архитектура полевой шины - одиночная (нерезервированная). Шина связывает контроллер С1 и четыре узла ввода/вывода IO1-IO4. Очевидно, что такая архитектура наименее отказоустойчива, так как обрыв шины, в зависимости от его локализации, ведет к потере коммуникации с одним, несколькими или всеми узлами шины. В нашем случае в результате обрыва теряется связь с двумя узлами.

Рис. 2. Нерезервированная шина.

Здесь важное значение имеет термин “единичная точка отказа” (SPOF, single point of failure). Под этим понимается место в системе, отказ компонента или обрыв связи в котором приводит к нарушению работы всей системы. На рисунке 2 единичная точка отказа обозначена красным крестиком. На рисунке 3 показана конфигурация в виде дублированной полевой шины, связывающей резервированный контроллер с узлами ввода/вывода. Каждый узел ввода/вывода снабжен двумя интерфейсными модулями. Если не считать сами модули ввода/вывода, которые резервируются редко, в данной конфигурации единичной точки отказа нет.

Рис. 3. Резервированная шина.

Вообще, при построении отказоустойчивых АСУ ТП стараются, чтобы единичный отказ в любом компоненте (линии связи) не влиял на работу всей системы. В этом плане конфигурация в виде дублированной полевой шины является наиболее распространенным техническим решением. На рисунке 4 показана конфигурация в виде оптоволоконного кольца. Контроллер и узлы ввода/вывода подключены к кольцу с помощью резервированных медных сегментов. Для состыковки медных сегментов сети с оптоволоконными применяются специальные конверторы среды передачи данных “медь-оптоволокно” (OLM, Optical Link Module). Для каждого из стандартных протоколов можно выбрать соответствующий OLM.

Рис. 4. Одинарное оптоволоконное кольцо.

Как и дублированная шина, оптоволоконное кольцо устойчиво к возникновению одного обрыва в любом его месте. Система такой обрыв вообще не заметит, и переключение на резервные интерфейсные и коммуникационные модули не произойдет. Более того, обрыв одного из двух медных сегментов, соединяющих узел с оптоволоконным кольцом, не приведет к потере связи с этим узлом. Однако второй обрыв кольца может привести к неработоспособности системы. В общем случае два обрыва кольца в диаметрально противоположных точках ведут к потере коммуникации с половиной подключенных узлов. На рисунке 5 изображена конфигурация с двойным оптическим кольцом. В случае если в результате образования двух точек обрыва первичное кольцо выходит из строя, система переключается на вторичное кольцо. Очевидно, что такая архитектура сети является наиболее отказоустойчивой. На рисунке 5 пошагово изображен процесс деградации сети. Обратите внимание, сколько отказов система может перенести до того, как выйдет из строя.

Рис. 5 Конфигурация сети с двойным оптическим кольцом

В таблице 1 приведены основные характеристики наиболее распространенных протоколов промышленных сетей полевого уровня.

Таблица 1

Промышленные сети верхнего уровня общая характеристика

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д.

Какие сети используются на верхнем уровне? В отличие от стандартов полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При этом, как правило, используется полный стек коммуникационных протоколов TCP/IP. В этом плане сети операторского уровня очень похожи на обычные ЛВС, применяемые в офисных приложениях. Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet. Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES (Мanufacturing Еxecution System) .

Требованиям к промышленным сетям верхнего уровня

1. Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д.

В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому - 100 мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке алгоритмов управления. 2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты. Далее мы более подробно остановимся на схемах обеспечения резервирования. 3. Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов, однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько дороже.

Конфигурации сетей верхнего уровня

Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня. На рисунке 7 показана самая простая - базовая конфигурация. Отказ любого коммутатора или обрыв канала связи (link) ведет к нарушению целостности всей системы. Единичная точка отказа изображена на рисунке красным крестиком.

Рис. 7. Нерезервированная конфигурация сети верхнего уровня.

Такая простая конфигурация подходит лишь для систем управления, внедряемых на некритичных участках производства (водоподготовка для каких-нибудь водяных контуров или, например, приемка молока на молочном заводе). Для более ответственных технологических участков такое решение явно неудовлетворительно.

На рисунке 8 показана отказоустойчивая конфигурация с полным резервированием. Каждый канал связи и сетевой компонент резервируется. Обратите внимание, сколько отказов переносит система прежде, чем теряется коммуникация с одной рабочей станцией оператора. Но даже это не выводит систему из строя, так как остается в действии вторая, страхующая рабочая станция.

Рис. 8. Полностью резервированная конфигурация сети верхнего уровня.

Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети - замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный прокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.

На рисунке 9 изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.

Рис. 9. Резервированная конфигурация сети на основе оптоволоконного кольца.

Определение, история появления и развития Программируемых Контроллеров

Как следует из рассмотренных выше принципов построения ПТК в архитектуре АСУ ТП контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе - сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы.

Промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это технические средства автоматизации, предназначенные для приема, хранения, преобразования, обработки (логической, арифметической) информации и выработки команд управления, созданные на базе микропроцессорной техники, и являющиеся специализированными управляющими ЭВМ предназначенными для работы в локальных и распределенных АСУ ТП.

Они впервые появились в конце шестидесятых годов в автомобильной промышленности США в результате слияния трех направлений техники:

- Релейно-контактная и бесконтактная электроавтоматика (основа ПЛК);

- Цикловое программное управление (принцип управления ПЛК);

- Микропроцессорная техника (элементная база ПЛК).

Первоначально производством ПЛК занимались компьютерные фирмы (DEC, Modicon, Entrekin Computers), но позже к их разработке подключились и электротехнические фирмы (General Elektric, Allen Bradley, ISSC), которые выпускали устройства электроавтоматики и лучше знали потребности промышленности, поэтому их ПЛК были более удобны в программировании и ориентированы на заводских специалистов (электриков, наладчиков). В настоящее время производством и внедрением ПЛК занимаются десятки ведущих мировых фирм, среди которых наиболее известны: Siemens (29%), Rockwell Automation (16%), Mitsubishi (12%), Schneider (9%), Omron (8,5%), Funuc (3,5%), Koyo Electronics, Marpos, Festo, АВВ, Bosch и др.

Интересно отметить, что порог рентабельности ПЛК постоянно снижался, и если в 70-е годы считалось, что экономически выгодно заменять контроллером систему электроавтоматики из 100 реле (в 80-е годы - из 60, в 90-е годы - из 20), то в настоящее время эта цифра опустилась до нескольких единиц.

Особенности ПЛК в сравнении с традиционными ТСА и ЭВМ

1. Циклический характер работы, определяющий возможность ПЛК обрабатывать информацию (управлять производственными процессами) в реальном масштабе времени технологического оборудования.

2. Проблемно ориентированное программно-математическое обеспечение ПЛК, рассчитанное на конкретные типовые задачи управления, регулирования и контроля технологическими процессами.

3. Легкое и свободное программирование и перепрограммирование с помощью специальных инженерных языков высокого уровня стандарта IEC 6.1131-3.

4. Простота и доступность в процессе подключения, отладки и эксплуатации ПЛК, ориентация на обычный производственный персонал (электриков, наладчиков).

5. Схожесть физических структур и конструкций ПЛК различного назначения и разных фирм изготовителей.

6. Модульная архитектура построения ПЛК, позволяющая простое конфигурирование при разработке и свободное наращивание или урезание при дальнейшей модернизации систем автоматизации.

7. Возможность эксплуатации ПЛК в непосредственной близости от технологического оборудования (в цеховых, полевых, пожароопасных условиях), неприхотливость, простота в обслуживании.

8. Широкие коммуникационные возможности ПЛК, позволяющие создавать на их основе сложные распределенные АСУ ТП с применением сетевых технологий.

...