Компьютер в системах автоматизации

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е. отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например, для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Архивирующие системы сбора данных (логгеры, самописцы) могут быть автономными устройствами, построенными на основе микроконтроллера (например, бортовые самописцы самолетов, электронные счетчики тепла или электроэнергии, портативные электрокардиографы). Данные, собранные логгерами, для обработки переносятся в компьютер с помощью, например, USB флэш-памяти или через последовательный интерфейс.

Системы сбора данных, построенные на основе компьютера, обычно являются стационарными и используют универсальное программное обеспечение, такое как Matlab, LabView, MS Excel, которое позволяет не только собрать данные, но и обработать их.

Для регистрации быстропротекающих процессов (с требуемой частотой отсчетов более 1 МГц) используются системы с параллельной шиной, в том числе платы для шины PCI компьютера. Компьютерные платы имеют ограниченное количество входов, что определяется компьютерным конструктивом, и требуют внешних клеммных блоков для подсоединения источников сигнала, создавая неудобства при монтаже системы.

Для регистрации медленных процессов удобнее внешние устройства, подключаемые к компьютеру через СОМ, USB или Ethernet порт. Внешние устройства отличаются также меньшим уровнем шумов, в то время как платы, вставляемых в компьютер, подвержены влиянию наводок от цифровых цепей компьютера.

Система сбора данных может быть распределенной, когда устройства ввода распределены территориально по объекту сбора данных, а полученные данные сходятся к единому накопителю и обработчику данных с помощью сетевых технологий. Сетевые (распределенные) системы сбора данных имеют свойство практически неограниченной наращиваемости числа каналов, однако имеют ограничение на скорость передачи данных по сети.

Входы систем сбора данных могут быть универсальными (потенциальными и токовыми), или специализированными (например, для термопар, для термопреобразователей сопротивления или для тензодатчиков). Системы со специализированными входами экономически более эффективны для потребителя. Универсальные входы используются совместно с измерительными преобразователями физических величин в ток или напряжение. Существуют также системы с гибридными входами, например, когда несколько входов принимают сигналы термопар, другие входы - сигналы тензодатчиков, третьи - сигналы термометров сопротивления и т. д.

Входы могут быть дифференциальными, одиночными, цифровыми или дискретными (двоичными). Дифференциальные входы позволяют более эффективно подавлять внешние помехи, наводимые на кабель, передающий сигнал от датчика к модулю ввода [Денисенко]. Для передачи сигнала чаще всего используется напряжение в диапазоне 0...±5 В., 0...±10 В или ток 0...20 мА, 4...20 мА. Сигналы напряжения вырабатываются источниками напряжения и имеют высокую помехоустойчивость к емкостным наводкам, сигналы тока вырабатываются источниками тока и устойчивы к индуктивным наводкам [Денисенко]. Дискретные входы принимают логические сигналы ("0" или "1"), которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, электромагнитных реле, датчиков наличия напряжения и т. п. Цифровые входы принимают сигналы от устройств с цифровым выходом, например, от цифровых датчиков температуры.

Основными параметрами систем сбора данных являются количество каналов, погрешность, динамическая погрешность, время установления или полоса пропускания, разрешающая способность, эффективное число разрядов, частота дискретизации, наличие гальванической изоляции входов и интерфейса, наличие защит от небрежного использования, перегрузок и перегрева.

Системы сбора данных обычно имеют 4, 8, 16, 32, 64 ... входа, которые опрашиваются по очереди или одновременно. Системы с одновременным опросом состоят из идентичных каналов, которые выполняют аналого-цифровое преобразование входной величины параллельно, т.е одновременно для всех каналов. Такие системы встречаются редко по причине высокой стоимости. Обычно опрос входов выполняется по очереди, с помощью коммутатора. Поэтому данные разных каналов оказываются сдвинутыми по времени на некоторую задержку, равную отношению периода опроса к количеству каналов.

Примером системы сбора данных может служить серия систем сбора данных RealLab! [Денисенко] построенная по модульному принципу, т.е. систему с необходимым количеством входов можно собрать из модулей - отдельных строительных блоков. Модули соединяются между собой с помощью промышленного интерфейса RS-485 и располагаются либо в общем монтажном шкафу, либо распределены по объекту сбора данных таким образом, чтобы уменьшить длину кабеля от датчика к модулю. Собранные данные в цифровой форме передаются по промышленной сети в центральный компьютер или контроллер. Модули RealLab! могут работать в стандартных сетях Modbus RTU или в стандартной де-факто сети DCON, имеют открытый протокол обмена. Каждый модуль в сети имеет свой адрес, поэтому для опроса модулей компьютер посылает им команду, содержащую адрес и код операции, которую необходимо выполнить.

24. Компьютер в системах автоматизации

автоматизация компьютер контроллер программный

Компьютер в системах автоматизации

Несмотря на существующие традиции применения ПЛК для решения проблем автоматизации, многие задачи гораздо эффективнее решаются с помощью персональных компьютеров вместо контроллера. Компьютер может быть использован также как пульт оператора (диспетчера) или выполнять одновременно функции контроллера и пульта оператора. В задачах автоматизации широко применяют как офисные, так и промышленные компьютеры.

Компьютер в качестве контроллера

Компьютер может быть превращен в полноценный контроллер, если на него установить:

-систему программирования контроллеров (например, CoDeSys или ISaGRAF), подробнее см. раздел "Программное обеспечение";

-электронный диск вместо обычного жесткого диска;

-платы ввода-вывода или внешние модули ввода-вывода;

-сторожевой таймер.

Электронный диск представляет собой ПЗУ, состоящее из микросхем флэш-памяти и конструктивно выполненное в виде корпуса обычного жесткого диска формата 2.5", 3.5" или 5.25" со стандартными интерфейсами IDE и SCSI. Основным достоинством электронного диска является его высокая устойчивость к вибрациям, отсутствие акустического шума, высокая надежность, низкое энергопотребление, малый вес.

Платы и внешние модули ввода-вывода для компьютера выпускаются многими независимыми производителями, что стало возможным благодаря наличию стандартов на конструктивное исполнение и шины как промышленных, так и офисных компьютеров.

Сторожевой таймер служит для перезагрузки компьютера в случае его зависания. Заметим, что компьютер имеет гораздо большее, чем контроллер, время перезагрузки при использовании офисной операционной системы Windows.

К достоинствам персональных компьютеров (ПК) при их использовании в качестве контроллеров относятся:

-на порядок большая емкость оперативной памяти;

-наличие жесткого диска с практически неограниченной емкостью;

-на порядки более высокое быстродействие;

-быстрое развитие аппаратного обеспечения (модернизация компьютеров происходит каждые 4..6 месяца, контроллеров - через 3...5 лет);

-в несколько раз более низкая цена;

-наличие большого числа специалистов, хорошо владеющих персональным компьютером;

-поддержка компьютером DVD и CD-ROM дисководов, принтера, звуковых карт, систем распознавания и синтеза речи, систем распознавания образов и текста, а также других средств, недоступных для контроллера;

-Легкая замена компьютера на более мощный без изменения программного обеспечения;

-поддержка клавиатуры, мыши и монитора;

-возможность комплектации компьютера из частей, производимых большим числом независимых производителей;

-возможность создания всей системы автоматизации с помощью SCADA пакетов (например, MasterSCADA, Trace Mode), без привлечения систем программирования -контроллеров и средств связи контроллера с компьютером;

-наличие стандартов на шины, что обеспечивает большое число независимых поставщиков стандартных компьютерных плат.

Хотя промышленные компьютеры, приближаясь по условиям эксплуатации к контроллерам, утрачивают некоторые из достоинств ПК (такие, как быстродействие, быстрота модернизации, низкая цена), другие достоинства ПК делают их широко распространенными и востребованными в промышленности.

С развитием промышленных компьютеров и контроллеров происходит стирание различий между ними. Тем не менее, остается ряд отличий, которые уже нельзя назвать существенными, но которые встречаются наиболее часто. Типовой компьютер, в отличие от типового контроллера, имеет:

-мышь, клавиатуру и монитор;

-жесткий диск;

-узкий температурный диапазон (от 0 до +50 єС);

-операционную систему Windows (иногда используют ОС реального времени Windows CE, QNX, RTOS);

-вентилятор для охлаждения процессора и блока питания.

Компьютер для общения с оператором

Наиболее типичным применением ПК в задачах автоматизации является организация рабочего места оператора (диспетчера). Компьютер здесь выполняет роль человеко-машинного интерфейса (ЧМИ). Для улучшения эргономичности и эффективности работы оператора используют SCADA-пакеты (см. раздел "Программное обеспечение") с использованием звука, анимации, высококачественной цветной графики и множеством интеллектуальных функций, облегчающих работу оператора.

Для создания ЧМИ используют мониторы с сенсорным экраном, плазменные панели, проекторы экрана компьютера на стену, трекбол, звуковые колонки, сирены, клавиатуры со степенью защиты от IP-20 до IP-67.

В промышленной автоматизации используются также панели оператора, которые вместо клавиатуры имеют несколько специализированных кнопок, а вместо монитора - миниатюрный дисплей, на котором умещается всего несколько строк текста или графики. Такие устройства подключаются к СОМ-порту компьютера.

Для монтажа на панель (на дверцу шкафа, на стену) используют панельные компьютеры, которые объединяют в одном конструктиве процессорный блок, дисплей с сенсорным экраном и клавиатуру.

Промышленные компьютеры

Промышленные компьютеры существенно отличаются от офисных по конструктивным признакам, однако используют те же микропроцессоры и архитектуру. Основными отличиями являются следующие:

-разъемы для сменных плат устанавливаются на пассивной объединительной панели, а не на материнской плате;

-для сменных плат используются надежные штырьковые разъемы;

-для смены плат не нужно раскрывать корпус;

-используются специализированные промышленные компьютерные шины CompactPCI, AdvancedTCA, COMExpress, VME, VXI и др.;

-вместо жесткого диска может быть использована флэш-память;

-наличие сторожевого таймера;

-применение вентиляторов со сменным пылеулавливающим фильтром или отсутствие вентиляторов;

-прочная несущая конструкция с надежным креплением плат пружинящими планками с винтовыми зажимами;

-применение блоков питания повышенной надежности, с защитой от к.з. по выходу и с расширенным диапазоном сетевых напряжений (от 100 до 250 В); резервирование блоков питания;

-наличие энергонезависимой оперативной памяти (с аккумуляторным питанием), которая сохраняет данные при сбоях или исчезновении питания;

-в одном конструктиве и на одной объединительной шине может располагаться несколько компьютерных систем;

-наличие съемной флэш-памяти;

-применение, кроме Windows, операционных систем DOS, Linux и операционных систем реального времени.

Конструктивное исполнение промышленного компьютера обеспечивает защиту от пыли, влаги, вибрации, электромагнитных наводок и облегчает техническое обслуживание. Для работы в диапазоне температур от -40 до +70 єС используется индустриальная элементная база с расширенным температурным диапазоном или, если это возможно, искусственный подогрев и принудительное охлаждение.

По быстродействию и емкости памяти промышленные компьютеры всегда уступают офисным, что связано с большой длительностью разработки новых модификаций: за время разработки промышленного компьютера успевает смениться несколько поколений офисных ПК. Это объясняется несравненно меньшей емкостью рынка промышленных компьютеров по сравнению с офисными, которая определяет размер инвестиций в новые проекты.

25. Человек--главное звено в контуре АСУ ТП

В существующих системах управления технологическими объектами на человека возлагается выполнение самых разнообразных операций. Иногда он выступает в роли исполнительного механизма, выполняющего несложные операции по сигналам командного устройства или другого человека, а иногда осуществляет наиболее ответственные, сложные и тонкие операции по управлению целыми технологическими комплексами. Типичны также случаи, когда человек играет роль контролера, участвуя в процессе измерения и выполняя различные операции с целью получения информации о текущем состоянии некоторых технологических параметров (отбирает пробу расплавленного металла из мартеновской печи, выполняет экспресс-анализ в лаборатории для определения содержания углерода в металле и т. п.).

По мере усложнения производства, повышения интенсивности и напряженности протекания технологических процессов и, наконец, в результате резкого повышения уровня автоматизации существенно изменяется роль человека в современных промышленных системах управления.

Накопленный опыт позволяет утверждать, что в будущих автоматизированных системах управления производством в одних случаях человек будет вытесняться автоматическими устройствами из контура управления (контролеры, исполнители), а в других, наоборот, его роль будет возрастать (операторы-технологи), так как человек останется в них главнейшим решающим звеном. Вследствие этого одной из центральных проблем создания АСУ ТП является реализация оптимального взаимодействия «человек -- машина», т. е. такая организация потоков информации к человеку и командной информации от него, при которой обеспечивается наилучшее, наиболее полное использование всех его творческих возможностей. Поэтому при разработке АСУ ТП и соответствующих технических средств взаимодействия «человек -- машина» для таких систем управления необходимо учитывать психофизиологические особенности и возможности человека, а те конструктивные элементы, через которые осуществляется взаимодействие (индикаторы показывающих устройств для передачи информации человеку, рукоятки командных устройств для передачи управляющих воздействий от него и т. д.), должны быть удобны человеку, т. е. должны быть такими, чтобы от человека не требовалось чрезмерного напряжения внимания или физических усилий, лишних утомительных операций по настройке или эксплуатации и т. д. К этому же перечню нужно отнести и требования комфорта для оптимальной жизнедеятельности человека на рабочем месте.

Необходимо отметить, что даже при полной замене контролеров-наблюдателей и исполнителей автоматическими устройствами деятельность человека в АСУ ТП остается очень напряженной и ответственной. Он должен постоянно находиться в рабочей зоне операторского пункта (диспетчерской) и взаимодействовать с различными информационными и командными устройствами. Воспринимая информацию, поступающую с измерительных приборов, мнемосхемы, дисплеев и других устройств, человек обязан безошибочно анализировать ее, своевременно принимать решения по управлению и исполнять их с помощью различного рода командных устройств (кнопок, переключателей, клавиатуры). Из этого, в частности, следует, что рабочее место человека в АСУ ТП должно быть оснащено соответствующими средствами взаимодействия «человек -- машина».

Как звено переработки информации человек подобен универсальному вычислительному устройству. Уступая вычислительным машинам в быстродействии, он может выполнять операции, недоступные им: решать проблемы интуитивным способом, ориентироваться при неполной информации в непредвиденных ситуациях, принимать принципиально новые, творческие решения и т. п.

Обычно человек -- наименее точный элемент в цепи управления, что особенно важно, когда эта цепь через него замыкается. Поэтому любые меры, предпринимаемые с целью повышения точности работы человека, существенны для повышения результирующей точности всей системы. К таким эффективным мерам относятся: четкое определение функций, выполняемых человеком; согласование характеристик системы и человека; рациональная конструкция средств представления информации и органов управления; оптимальное расположение их на панелях щитов и пультов; специальные тренировки персонала; организация режима работы и условий труда и др.

По надежности работы человек также в значительной мере уступает многим другим звеньям АСУ. Он довольно быстро утомляется, качество его работы существенно зависит от большого числа факторов (в том числе психологических). Однако при благоприятных условиях работы благодаря ряду значительных преимуществ перед автоматическими управляющими устройствами (возможность контроля обстановки своими органами чувств, предугадывание событий, способность к обучению, приспособляемость к изменению условий и др.) введение человека в систему управления коренным образом улучшает надежность ее работы. Значительный эффект в обеспечении надежности дает использование человека в качестве дублера замкнутых систем управления.

При рассмотрении вопросов эффективного применения творческих возможностей человека как главного звена системы управления прежде всего возникает задача оптимального распределения функций между человеком и машиной. Очевидно, что технике, автоматам, машинам следует поручать те операции, которые они заведомо делают лучше человека, а работа всех остальных частей системы должна быть подчинена задаче оптимального обслуживания человека.

На автоматические устройства АСУ ТП возлагаются прежде всего повторяющиеся, рутинные действия, связанные с достижением таких относительно простых целей управления, как регулирование технологических параметров па заданном уровне или по заданной программе, автоматическая защита по формализованным алгоритмам и т. д. С ростом «мыслительных», вычислительных возможностей машин и степени изученности технологических процессов на автоматы возлагаются более сложные, почти «творческие» действия, связанные с оптимизацией технологического процесса на тех или иных стадиях его протекания. К таким действиям относятся вычисление технико-экономических показателей, расчет оптимальных траекторий в переходных режимах и другие функции, поддающиеся формализации и имеющие соответствующее математическое и техническое обеспечение.

На человека в этих системах возлагаются функции, которые либо пока вообще нельзя поручать автоматам (нет формализованного описания функции, нет аппаратуры, способной ее выполнить), либо автоматическое выполнение которых пока не оправдано экономически. Кроме того, человек всегда выполняет функцию резерва на случай отказа автоматов.

Взаимодействие человека и техники может быть организовано по-разному в зависимости от задач, поставленных перед системой, возможностей выбранных аппаратурных средств и роли, возложенной на человека в данной системе управления. По последнему признаку все АСУ ТП условно можно разделить следующим образом:

1) системы, в которых человек, осуществляя функции управления, является в то же время исполнительным элементом и даже источником энергии, непосредственно воздействующим на технологическое оборудование объекта;

системы, в которых человек управляет внешними источниками энергии, добиваясь оптимального функционирования объекта; здесь существенна зависимость интенсивности результирующего воздействия источника энергии на процесс от степени управляющего воздействия человека;

системы автоматического управления, выполняющие функции управления в соответствии с некоторым наперед заданным законом функционирования; человеку отводится роль звена, осуществляющего наблюдения за ходом процесса и вводящего корректирующие воздействия;

системы, в которых человек, кроме выполнения функций наблюдения за поведением системы, вводит в нее необходимую информацию.

Отметим, что практически все реальные АСУ ТП представляют собой комбинации систем рассмотренных видов.

Человека в АСУ ТП чаще всего называют оператором или диспетчером. Определения понятий «оператор» и «диспетчер» не имеют четких границ. Рассмотрев иерархическую структуру управления, заметим, что человек может быть диспетчером по отношению к подчиненному ему оператору и в свою очередь оператором по отношению к вышестоящему диспетчеру. Обычно считают, что оператор управляет технологическим процессом непосредственно или с помощью специальных средств, прямо участвуя в производстве предметов, веществ или энергии. В то же время диспетчер с помощью своих технических средств и через других людей направляет ход такого производства, влияя на него косвенно например, путем оперативного перераспределения ресурсов, заданий и т. п.

По способу представления информации для восприятия ее человеком системы условно делятся следующим образом:

в которых информация выдается человеку в абстрактной форме (в виде цифр, формул, показаний стрелочных контрольно-измерительных приборов и т. п.);

в которых информация воспроизводится в графической форме (в виде графических функциональных зависимостей, диаграмм на регистрирующих приборах и т. п.);

с представлением информации в изобразительной форме (в виде мнемосхем, схем территориального расположения и т. п.);

в которых информация выдается в виде буквенно- цифровых обозначений, текстов (на световых табло, экранах мониторов, лентах автоматических печатающих устройств и т. д.).

Общая эффективность функционирования АСУ технологическим процессом или производством, как известно, зависит от совершенства технологического оборудования и системы автоматизации, уровня профессионального мастерства оператора, взаимной приспособленности человека и машины как звеньев единой системы управления. Последнее означает, в частности, что информацию о состоянии управляемого объекта следует представлять оператору в такой форме, которая наиболее полно соответствует закономерностям восприятия и дальнейшей переработки ее человеком. В связи с этим конструирование средств представления информации на основе только технических предпосылок, как это еще нередко бывает, не может обеспечить надежной и высокоэффективной работы оператора. Здесь необходимо привлечение данных инженерной психологии, эргономики, физиологии, гигиены. Немаловажное значение имеет также применение специальных методов художественного конструирования и технической эстетики.

Взаимодействие человека и ЭВМ в АСУ ТП.

АСУТП - «человеко-машинная» система и от того, как сложится их взаимодействие, зависит эффективность этой системы и даже само существование.

В подобных взаимодействиях человек иногда выступает в роли просто исполнительного механизма, выполняющего несложные команды, и исполнительного устройства, а иногда осуществляет наиболее ответственные сложные и тонкие операции по управлению целыми технологическими комплексами. Иногда человек играет роль контролера, участвуя в процессе измерения и получая информацию о текущем состоянии некоторых технологических параметров.

В современных автоматизированных системах управления производством в одних случаях человек будет вытесняться автоматическими устройствами из контура управления (контролеры, исполнители), а в других, наоборот, его роль будет возрастать (операторы-технологи), так как человек останется в них главнейшим решающим звеном. Вследствие этого одной из центральных проблем создания АСУ ТП является реализация оптимального взаимодействия ''человек-машина'', т.е. такая организация потоков информации к человеку и командной информации от него, при которой обеспечивается наилучшее, наиболее полное использование всех его творческих возможностей. Поэтому при разработке АСУ ТП и соответствующих технических средств взаимодействия ''человек-машина'' для таких систем управления необходимо учитывать психофизиологические особенности и возможности человека, а те конструктивные элементы, через которые осуществляется взаимодействие (индикаторы показывающих устройств для передачи информации человеку, рукоятки командных устройств для передачи управляющих воздействий от него и т.д.), должны быть удобны человеку. Т.е. они должны быть такими, чтобы от человека не требовалось чрезмерного напряжения, внимания или физических усилий, лишних утомительных операций по настройке или эксплуатации и т.д. К этому же перечню нужно отнести и требования комфорта для оптимальной

жизнедеятельности человека на рабочем месте.

Как звено переработки информации человек подобен универсальному вычислительному устройству. Уступая вычислительным машинам в быстродействии, он может выполнять операции, недоступные им: решать проблемы интуитивным способом, ориентироваться при неполной информации в непредвиденных ситуациях, принимать принципиально новые, творческие решения и т.п.

Обычно человек - наименее точный элемент в цепи управления, что особенно важно, когда эта цепь через него замыкается. Поэтому любые меры, предпринимаемые с целью повышения точности работы человека, существенны для повышения результирующей точности всей системы. К таким эффективным мерам относятся: четкое определение функций, выполняемых человеком; согласование характеристик систем и человека; рациональная конструкция средств представления информации и органов управления; оптимальное расположение их на панелях щитов и пультов; специальные тренировки персонала; организация режима работы и условий труда и др.

По надежности работы человек также в значительной мере уступает многим другим звеньям АСУ. Он довольно быстро утомляется, качество его работы существенно зависит от большого числа факторов (в том числе психологических). Однако при благоприятных условиях работы благодаря ряду значительных преимуществ перед автоматическими управляющими устройствами (возможность контроля обстановки своими органами чувств, предугадывание событий, способность к обучению, приспособляемость к изменению условий и др.) введение человека в систему управления коренным образом улучшает надежность ее работы. Значительный эффект в обеспечении надежности дает использование человека в качестве дублера замкнутых систем управления. При рассмотрении вопросов эффективного применения творческих возможностей человека как главного звена системы управления, прежде всего, возникает задача оптимального распределения функций между человеком и машиной. Очевидно, что технике, автоматам, машинам следует поручать те операции, которые они заведомо делают лучше человека, а работа всех остальных частей системы должна быть подчинена задаче оптимального обслуживания человека.

На человека в этих системах возлагаются функции, которые либо пока вообще нельзя поручать автоматам (нет формализованного описания функции, нет аппаратуры, способной ее выполнить), либо автоматическое выполнение которых пока не оправдано экономически. Кроме того, человек всегда выполняет функцию резерва на случай отказа автоматов.

Взаимодействие человека и техники м.б. организована по-разному в зависимости от задач, поставленных перед системой, возможности выбранных аппаратных средств и той роли, которую занимает человек в системе.

По последнему признаку АСУ можно разделить на следующие группы:

системы, в которых человек, осуществляя функцию управления, является в то же время исполнительным механизмом и даже источником энергии, непосредственно воздействующим на технологическое оборудование.

системы, в которых человек управляет внешними источниками энергии, добиваясь оптимального функционирования объекта. Здесь существенна зависимость результирующего воздействия источника энергии на процесс от управляющего воздействия на человека.

САУ, выполняющих функции в соответствии с заранее заданным законом, и человеку отводится роль только контролирующего звена, наблюдающего за ходом процесса и вносящего поправки.

системы, в которых человек кроме функций наблюдения за поведением системы, вводит в неё необходимую информацию. Всем системам присуще несколько признаков.

Человека в АСУ ТП чаще всего называют оператором или диспетчером. Оператор управляет технологическим процессом непосредственно или с помощью специальных средств, прямо участвуя в производстве предметов, веществ или энергии. В тоже время диспетчер с помощью своих технических средств и через других людей направляет ход такого производства, влияя на него косвенно, например, путем оперативного перераспределения ресурсов, заданий и т.п.

По способу представления информации для восприятия ее человеком системы условно делятся следующим образом:

1) в которых информация выдается человеку в абстрактной форме (в виде цифр, формул, показаний стрелочных контрольно-измерительных приборов и т.п.);

2) в которых информация воспроизводится в графической форме (в виде графических функциональных зависимостей, диаграмм на регистрирующих приборах и т.п.);

3) с представлением информации в изобразительной форме (в виде мнемосхем, схем территориального расположения и т.п.);

4) в которых информация выдается в виде буквенно-цифровых обозначений текстов (на световых табло, мониторах и т.д.).

Заметим, что в большинстве реальных АСУ ТП используют не одну, а две-три или даже все четыре формы представления информации человеку.

Однако, конструирование средств представления информации на основе только технических предпосылок не может обеспечить надежной и высокоэффективной работы оператора. Здесь необходимо привлечение данных инженерной психологии, эргономики, физиологии, гигиены. Немало важное значение имеет также применение специальных методов художественного конструирования и технической эстетики.

В общении с ЭВМ должны принимать участие несколько человек, имеющих различные интересы, задачи, знания и профессиональную подготовку. В основном общение происходит между вычислительной машиной и одним из следующих лиц: программистом, оператором ЭВМ и оператором-технологом процесса.

Программист - это высококвалифицированный специалист, задача которого заключается в подготовке и обслуживании программ, выполняемых ЭВМ в данной системе. Его основные интересы связаны с внутренним функционированием ЭВМ. Детально зная принцип работы ЭВМ, он использует для общения с ней формальные специальные языки, состоящие из абстрактных символов и сложных программ.

Оператор ЭВМ обычно не участвует в подготовке и обслуживании программ функционирования вычислительной машины в такой степени, в какой это нужно делать программисту. Оператор ЭВМ должен иметь возможность инициировать процесс выполнения программ и в какой-то мере управлять им, т.е. он имеет дело с программами как с единым целым и не должен разбираться в их внутреннем строении. Оператор вычислительной машины управляет потоком заданий (задания - это группа связанных между собой программ) и данных через ЭВМ. Он рассматривает программу или даже все задания как единое целое.

Оператор-технолог интересуется, прежде всего, самим технологическим процессом, а не вычислительной машиной. Его квалификация и образование часто вообще не имеют отношения к вычислительной технике. Часто его математическая подготовка весьма ограничена: он является работником, обученным лишь ведению данного технологического процесса и для него типичной формой общения оператора-технолога и машины служит ограниченный набор команд, которые вводятся через клавиатуру ПЭВМ.

Все технические средства для общения человека с ЭВМ и другими автоматическими устройствами устанавливают в специальных производственных помещениях. Комплекс таких помещений для работы оператора-технолога (диспетчера) с необходимым оборудованием для управления технологическим процессом или производством называется пунктом управления.

В зависимости от степени близости к технологическому объекту и характера выполняемых задач обычно различают местные (МПУ) и центральные (ЦПУ) пункты управления технологическим процессом или агрегатом, а также диспетчерские пункты (ДП). В крупных системах часто к пункту управления относят ВК, обслуживающие определенную группу технологических процессов и производств. В конкретных условиях некоторые пункты управления могут территориально объединяться.

В типичном варианте в состав оборудования ЦПУ входят следующие элементы:

-устройство связи с объектом (УСО),

-устройства телемеханики (ТМ) и аппаратура передачи данных (АПД),

-устройства функционально-группового управления (ФГУ),

-информационно-вычислительный комплекс (ИВК),

-управляющий вычислительный комплекс (УВК),

-средства взаимодействия ''человек-машина'',

-средство связи (коммутатор, селектор, телетайп) и т.п.

Из схемы ЦПУ видно, что общий контур (ОК) управления, проходящий через АСУ ТП, может быть расчленен на два: автоматический А и эргономический Э, который, в свою очередь состоит из внутреннего Э1 и внешнего Э2 эргономических контуров. Внутренний эргономический контур Э1 обеспечивает оператору возможность контроля и управления процессом через автоматические устройства, предназначенные для достижения относительно простых, полностью формализованных целей управления (защита, стабилизация и т.п.). Внешний эргономический контур Э2 позволяет оператору контролировать и управлять непосредственно объектом в случае неформализованных целей управления и выполняет (по крайней мере, частично) функции автоматического контура при его выходе из строя.



Схема центрального пункта управления.

Сенсорные и моторные блоки содержат в своем составе поля, на которых сосредоточены эргономические. К ним относятся мнемосхемы, индикаторы (устройства контроля, передающие информацию оператору), ключи, кнопки и другие устройства, воспринимающие от оператора управляющие воздействия.

Мнемонические фрагменты (мнемосхемы) со встроенными в них индикаторами представляют собой одно из эффективных средств, призванных облегчить работу оператора, помочь ему среди множества контролируемых параметров выявить те, которые требуют его непосредственного вмешательства, облегчить восприятие общей картины протекания технологического процесса в целом или на отдельных его участках.

В системах управления мнемосхема чаще всего выполняют чисто информационные функции, хотя используются (например, при управлении энергосетями). Мнемосхема, не должна вступать в противоречие с технологической схемой, однако она и не должна копировать ее, так как их назначение различно: технологическая схема является детальным графическим отображением процесса; мнемоническая схема служит для контроля и управления объектом. Следовательно, мнемосхема должна отражать логику управления объектом, т.е. выделять те узловые места объекта, знание состояния которых позволяет оператору судить о состоянии объекта в целом.

Программная реализации АСУ ТП и развитие программных средств автоматизации.

Современные системы промышленной и лабораторной автоматизации позволяют решать широкий круг задач, которые можно разделить на несколько групп, имеющих свои особенности:

автоматизация управления технологическими процессами (АСУ ТП);

взаимодействие системы с диспетчером (оператором);

автоматизированный контроль и измерения (мониторинг);

обеспечение безопасности;

дистанционное управление, измерение, сигнализация (задачи телемеханики).

Развитие программных средств автоматизации показала, что все особенности отдельных применений можно учесть путем настройки нескольких универсальных программ на выполнение конкретной задачи. К таким универсальным программам относятся:

OPC сервер;

средства МЭК-программирования контроллеров;

SCADA-пакеты.

Для систем автоматизации, не связанных с АСУ ТП, используются программы LabVIEW, MatLab, HP-VEE и др., ориентированные на автоматизацию эксперимента, измерений или математическую обработку их результатов. Для простых задач или широко тиражируемых приложений бывает экономически эффективно использовать заказное программирование на С++ или Visual Basic, VBA, Delphi.

Развитие программных средств автоматизации.

При разработке АСУ основная задача должна выполняться не программистами, а специалистами той предметной области, которая нуждается в автоматизации, т. е. технологами, а также системными интеграторами, которые осуществляют комплексное внедрение системы.

Необходимость в разработке средств программирования, предназначенных специально для систем автоматизации и ориентированных на технологов, была вызвана следующими причинами:

требованием надежности программного обеспечения. Система, написанная целиком на алгоритмическом языке для конкретного заказа, содержала слишком много программного кода, на тщательную разработку и тестирование которого не хватало времени;

сжатыми сроками внедрения системы и ограниченной стоимостью работ. Для создания системы в короткий срок при ограниченном бюджете требовалось большое количество готовых универсальных программных компонентов, уже отлаженных;

необходимостью модификации системы в процессе ее эксплуатации. Внести изменения в специализированную программу мог только написавший ее программист, который к этому времени обычно работал уже на другом предприятии. Поэтому вместо того, чтобы модифицировать программное обеспечение, его приходилось переписывать заново;

требованиями совместимости с другими системами автоматизации, работающими на других предприятиях. Были необходимы стандартные интерфейсы между программами, созданными разными производителями на разных аппаратно-программных платформах;

высокими требованиями к качеству пользовательского интерфейса. Ограниченный бюджет времени и финансовых ресурсов не позволял разработать достаточно хороший программный интерфейс на универсальных алгоритмических языках.

Графическое программирование и графический интерфейс.

Языки визуального программирования появились в начале 90-х годов и содержат большое число стандартных функций и библиотек, а также готовых средств визуализации. Они позволяют создавать очень удобные и эффектные программы, однако достигается это за счет резкого увеличения объема программного кода. Поэтому языки визуального программирования, как и текстовые, по-прежнему не позволяют модифицировать алгоритмы силами технологов без участия профессиональных программистов.Настоящую революцию в программировании систем автоматизации сделали языки графического программирования. Одним из первых в этом классе был графический язык среды Simulink, входящей в состав Matlab (MathWorks Inc), а также языки LabVIEW (National Instruments) и HP-VEE (Hewlett Packard). Они были предназначены и успешно использовались для сбора данных, моделирования систем автоматизации, автоматического управления, обработки собранных данных и их визуального представления в виде графиков, таблиц, звука, с помощью компьютерной анимации. Графические языки были настолько простыми и естественными, что для их освоения зачастую было достаточно метода проб и ошибок без использования учебников и консультаций. Человек, не знакомый с программированием на алгоритмических языках, пользуясь только логикой и понимая постановку прикладной задачи, мог создавать работающее приложение из готовых компонентов, пользуясь только мышкой компьютера, даже имея определенные пробелы в знаниях.

Графический интерфейсСоздание графических интерфейсов пользователя на компьютере явилось большим достижением в направлении развития средств диспетчерского управления. Главным эффектом от применения графического интерфейса является существенное снижение количества ошибок, допускаемых оператором (диспетчером) в стрессовых ситуациях при управлении производственными процессами. Проектирование пользовательского интерфейса основано на следующих принципах [Wang]:

узнаваемость: назначение элементов экрана должно быть понятно без предварительного обучения, допустимые манипуляции с этими элементами также должны быть понятны интуитивно. Пользовательский интерфейс не должен содержать излишней детализации;

логичность: пользователь, имеющий опыт работы с одной программой, должен быть способен быстро, практически без обучения, адаптироваться к любой аналогичной программе;

отсутствие "сюрпризов": знакомые из прошлого опыта операции с элементами на экране должны вызывать знакомые реакции системы;

восстанавливаемость: система не должна быть чувствительна к ошибкам оператора. Оператор должен иметь возможность отменить любое свое неправильное действие. Для этого используются многократные подтверждения, отмены, возврат на несколько шагов назад, установка контрольных точек и т. п.;

наличие удобной справки, подсказок, встроенных в пользовательский интерфейс, средств контекстного поиска и замены;

адаптация к опыту пользователя: начинающий пользователь должен иметь более простой интерфейс с большим количеством подсказок.

Пользовательский интерфейс АСУ ТП. SCADA-пакеты.

Большинство систем автоматизации функционирует с участием человека (оператора, диспетчера). Интерфейс между человеком и системой называют человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ), в зарубежной литературе - HMI (Human-Machinery Interface) или MMI (Man-Machinery Interface). В частном случае, когда ЧМИ предназначен для взаимодействия человека с автоматизированным технологическим процессом, его называют SCADA-системой (Supervisory Control And Data Acquisition). Этот термин переводится буквально как "диспетчерское управление и сбор данных", но на практике его трактуют гораздо шире, а современные SCADA-пакеты включают в себя широчайший набор функциональных возможностей, далеко выходящий за рамки сбора данных и диспетчерского управления.

Функции SCADA.

Существующие в настоящее время SCADA-пакеты выполняют множество функций, которые можно разделить на несколько групп:

наcтройка SCADA на конкретную задачу (т. е. разработка программной части системы автоматизации);

диспетчерское управление;

автоматическое управление;

хранение истории процессов;

выполнение функций безопасности;

выполнение общесистемных функций.

Несмотря на множество функций, выполняемых SCADA, основным ее отличительным признаком является наличие интерфейса с пользователем. При отсутствии такого интерфейса перечисленные выше функции совпадают с функциями средств программирования контроллеров, а управление является автоматическим, в противоположность диспетчерскому.

Качество решений, принятых оператором (диспетчером), часто влияет не только на качество производимой продукции, но и на жизнь людей. Поэтому комфорт рабочего места, понятность интерфейса, наличие подсказок и блокировка явных ошибок оператора являются наиболее важными свойствами SCADA, а дальнейшее их развитие осуществляется в направлении улучшения эргономики и создания экспертных подсистем.

Иногда SCADA комплектуются средствами для программирования контроллеров, однако эта функция вызвана коммерческими соображениями и слабо связана с основным назначением SCADA.

В SCADA-пакетах используют понятие аларма и события. Событие - это изменение некоторых состояний в системе. Примерами событий могут быть включение перевалки зерна в элеваторе, завершение цикла периодического процесса обработки детали, окончание загрузки бункера, регистрация нового оператора и т. п. События не требуют срочного вмешательства оператора, а просто информируют его о состоянии системы.

В отличие от события, аларм (от английского "alarm" - "сигнал тревоги") представляет собой предупреждение о важном событии, в ответ на которое нужно срочно предпринять некоторые действия. У английского слова "аларм" имеется точный русский перевод - "сигнал тревоги" или "аварийный сигнал", однако термин "аларм" уже прочно вошел в лексикон промышленной автоматизации.

Примерами алармов может быть достижение критической температуры хранения зерна в элеваторе, после которого начинается его возгорание, достижение критического значение давления в автоклаве, после которого возможен разрыв оболочки, срабатывание датчика открытия охраняемой двери, превышение допустимого уровня загазованности в котельной и т.п.

В связи с тем, что алармы требует принятия решения, их делят на подтвержденные и неподтвержденные. Подтвержденным называется аларм, в ответ на который оператор ввел команду подтверждения. До этого момента аларм считается неподтвержденным.

Рис. 9.13. Пример назначения интервалов аналоговым алармам

Алармы делятся на дискретные и аналоговые. Дискретные сигнализируют об изменении дискретной переменной, аналоговые алармы появляются, когда непрерывная переменная входит в заранее заданный интервал своих значений. В качестве примера на рис. 9.13 показано деление всего интервала изменения переменной на интервалы "Норма", "Внимание" (предаварийное состояние) и "Авария":

аларм "Внимание" возникает при << во время нарастания наблюдаемой переменной и при << во время ее уменьшения;

аларм "Авария" возникает при < .

Каждая критическая граница на рис. имеет зону нечувствительности (мертвую зону), которая нужна для того, чтобы после снятия состояния аларма переменная не могла вернуться в него вследствие случайных выбросов в системе (шумов). Границы зон на рис. 9.13 могут изменяться с течением времени.

Аналогичные границы могут быть назначены для скорости изменения переменной (для производной функции ), которая определяется как угол наклона касательной к кривой .

Методика выдачи алармов должна быть надежной. В частности, всплывающие окна с сообщениями алармов должны быть всегда поверх остальных окон, алармы могут дублироваться звуком и светом. Поскольку алармов в системе может быть много, им назначают разные приоритеты, разные громкости и тоны звукового сигнала и т. п.

Разработка человеко-машинного интерфейса

Одной из основных функций SCADA является разработка человеко-машинного интерфейса, т.е. SCADA одновременно является и ЧМИ, и инструментом для его создания. Быстрота разработки существенно влияет на рентабельность фирмы, выполняющей работу по внедрению системы автоматизации, поэтому скорость разработки является основным показателем качества SCADA с точки зрения системного интегратора. В процесс разработки входят следующие операции:

создание графического интерфейса (мнемосхем, графиков, таблиц, всплывающих окон, элементов для ввода команд оператора и т д.);

программирование и отладка алгоритмов работы системы автоматизации. Многие SCADA позволяют выполнять отладку системы как в режиме эмуляции оборудования, так и с подключенным оборудованием;

настройка системы коммуникации (сетей, модемов, коммуникационные контроллеров и т п.);

создание баз данных и подключение к ним SCADA.

SCADA как система диспетчерского управления

Как система диспетчерского управления SCADA может выполнять следующие задачи:

взаимодействие с оператором (выдача визуальной и слуховой информации, передача в систему команд оператора);

помощь оператору в принятии решений (функции экспертной системы);

автоматическая сигнализация об авариях и критических ситуациях;

выдача информационных сообщений на пульт оператора;

ведение журнала событий в системе;

извлечение информации из архива и представление ее оператору в удобном для восприятия виде;

подготовка отчетов (например, распечатка таблицы температур, графиков смены операторов, перечня действий оператора);

учет наработки технологического оборудования.

SCADA как часть системы автоматического управления

Основная часть задач автоматического управления выполняется, как правило, с помощью ПЛК, однако часть задач может возлагаться на SCADA. Кроме того, во многих небольших системах управления ПЛК могут вообще отсутствовать и тогда компьютер с установленной SCADA является единственным средством управления. SCADA обычно выполняет следующие задачи автоматического управления:

автоматическое регулирование;

управление последовательностью операций в системе автоматизации;

адаптация к изменению условий протекания технологического процесса;

автоматическая блокировка исполнительных устройств при выполнении заранее заданных условий.

Хранение истории процесса

Знание предыстории управляемого процесса позволяет улучшить будущее поведение системы, проанализировать причины возникновения опасных ситуаций или брака продукции, выявить ошибки оператора. Для создания истории система выполняет следующие операции:

сбор данных и их обработка (цифровая фильтрация, интерполяция, сжатие, нормализация, масштабирование и т. д.);

архивирование данных (действий оператора, собранных и обработанных данных, событий, алармов, графиков, экранных форм, файлов конфигурации, отчетов и т. п.);

управление базами данных (реального времени и архивных).

Безопасность SCADA

Применение SCADA в системах удаленного доступа через интернет резко повысило уязвимость SCADA к действиям враждебных лиц. Пренебрежение этой проблемой может приводить, например, к отказу в работе сетей электроснабжения, жизнеобеспечения, связи, отказу морских маяков, дорожных светофоров, к заражению воды неочищенными стоками и т.п. Возможны и более тяжелые последствия с человеческими жертвами или большим экономическим ущербом. Для повышения безопасности SCADA используют следующие методы:

разграничение доступа к системе между разными категориями пользователей (у сменного оператора, технолога, программиста и директора должны быть разные права доступа к информации и к модификации настроек системы);

защиту информации (путем шифрования информации и обеспечения секретности протоколов связи);

обеспечение безопасности оператора благодаря его отдалению от опасного управляемого процесса (дистанционное управление). Дистанционный контроль и дистанционное управление являются типовыми требованиями Ростехнадзора и выполняются по проводной сети, радиоканалу (через GSM- или радиомодем), через интернет и т.д.;

специальные методы защиты от кибер-атак;

применение межсетевых экранов.

Общесистемные функции

Поскольку SCADA обычно является единственной программой для управления системой автоматизации, на нее могут возлагаться также некоторые общесистемные функции:

...