Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Структура и виды современных АСУ ТП
Автоматизированная система управления технологическим
процессом (АСУ ТП) — это комплекс программных и технических
средств, предназначенный для автоматизации управления техноло-
гическим оборудованием на предприятиях. Под АСУ ТП обычно
понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию
основных технологических операций на производстве в целом или
каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный про-
дукт. Слово «автоматизированная» означает, что система управления
не полностью автономна (самостоятельна) и требует участия челове-
ка (оператора) для реализации определенных задач. Напротив, си-
стемы автоматического управления, рассмотренные во введении,
предназначены для работы без какого-либо контроля со стороны
человека и полностью автономны. В этом заключается принципиаль-
ная разница между АСУ и САУ.
Все АСУ ТП делятся на три больших класса. Во-первых, PLC-систе-
мы (Programmable Logic Controller). На русский язык это перево-
дится как «программируемый логический контроллер» (или сокра-
щенно ПЛК). Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный
модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления,
хотя этот термин имеет также более общее значение и часто исполь-
зуется для обозначения целого класса систем. Во-вторых, SCADA-
системы (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык
этот термин переводится как «система телемеханики», «система теле-
метрии» или «система диспетчерского управления и сбора данных».
Последнее определение точнее всего отражает сущность и назначение
системы — контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера.
В России термин SCADA часто используется в более узком смысле:
программный пакет визуализации технологического процесса. Одна-
ко в данном учебном пособии под словом SCADA понимается целый
класс систем управления. В-третьих, распределенные системы управ-
ления (РСУ), или в английском варианте DCS (Distributed Control
System). Естественно, такая классификация является достаточно
условной, так как в последние годы внедряются гибридные системы,
которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одно-
му, так и к другому классу
PLC-системы
Основным компонентом этих систем является программируемый
логический контроллер. Системы класса PLC наиболее подходят для
управления последовательностью технологических операций в про-
цессе изготовления какого-либо изделия. Как правило, эти операции
носят дискретный характер и требуют очень быстрой реакции со
стороны автоматики. Типовые задачи систем PLC: управление кон-
вейерными производствами; управление робототехникой; высоко-
скоростное управление приводами; управление позиционирующими
устройствами; сигнализация; оповещение. Для систем PLC характер-
но то, что они не требуют непрерывного контроля со стороны дис-
петчера (в отличие от других систем), достаточно периодической
проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского) управле-
ния сводится, как правило, к установке кнопочного пульта управле-
ния для запуска/останова того или иного технологического участка
и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени
система PLC работает без надзора со стороны человека, в автомати-
ческом (автономном) режиме, т.е. по сути PLC приближается к
САУ.
Структура системы PLC довольно проста: один или несколько
программируемых логических контроллеров, объединенных в единую
сеть (например, стандарта Industrial Ethernet) с помощью цифровой
шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут взаимо-
действовать друг с другом, что необходимо для их согласованной
работы. При необходимости к системе можно также подключить пульт
локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью для простей-
шего локального управления и отображения аварийных сигнализа-
ций). Как правило, система структурирована так, что каждая техно-
логическая установка управляется своим контроллером.
Контроллеры имеют электрические входы/ выходы для подключе-
ния к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов
(клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов),
устройств оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов
может быть как фиксированным, так и расширяемым с помощью
дополнительно подключаемых модулей. Электрический сигнал, по-
ступающий с датчика, в подсистеме ввода/ вывода контроллера ин-
терпретируется как измерение определенной физической величины
(температуры, давления и т.п.), потом сигнал оцифровывается (пере-
водится из аналоговой формы в цифровую, двоичную). В цифровой
форме сигнал обрабатывается в контроллере. Подсистема ввода/вы-
вода работает и в другом направлении. Получив от контроллера
управляющую команду, подсистема ввода/вывода переводит ее из
цифровой формы в электрическую аналоговую. Сформированный
электрический сигнал по кабелю подается на соответствующий ис-
полнительный механизм. Модули различаются по типу электриче-
ского сигнала, с помощью которого они взаимодействуют с полевы-
ми приборами, и по направлению передачи сигнала. Если к модулю
подключается датчик, то модуль осуществляет ввод сигнала в систему
и называется модулем ввода', если подключается исполнительный
механизм, то модуль выводит управляющее воздействие из системы
и называется модулем вывода.
Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него програм-
му управления по следующему циклу: считывание сигналов с датчи-
ков, математическая обработка данных в соответствии с определен-
ным алгоритмом, формирование управляющего воздействия и его
передача на исполнительные механизмы. При этом требуется высокое
быстродействие — время выполнения всего цикла составляет не бо-
лее 10...20 мс.
Для систем класса PLC характерны следующие особенности:
1) высокоскоростное управление дискретными операциями; 2) прак-
тическое отсутствие операторского уровня (высокая степень автоном-
ности); 3) быстрая реакция на дискретные события; 4) жесткая вре-
менная синхронизация работы нескольких узлов.
Также для систем PLC характерна работа в реальном времени.
Понятие реального времени в системах автоматизации включает
жесткое задание времени реакции системы на различные события
на объекте управления (замыкание/размыкание контактов, повы-
шение/понижение технологических параметров). При этом превы-
шение времени реакции системы управления может рассматривать-
ся как ее неисправность, так как потенциально может привести к
аварийной ситуации на объекте управления.
Разработка, отладка и исполнение программ управления для
PLC осуществляются с помощью специализированного программ-
ного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому
классу инструментального ПО относятся пакеты ISaGRAF (CJ
International) — Франция/США, Conrol (Wonderware) — США,
Paradym 31 (Intellution) — США и другие.
SCADA-системы
Предшественниками SCADA-систем были так называемые теле-
метрические системы для дистанционного мониторинга небольшо-
го числа параметров. По мере усложнения задач автоматизации и
развития вычислительных технологий количество контролируемых
параметров возрастало. Одновременно возрастало количество оши-
бок диспетчера на потенциально опасных объектах, приводящих
при возникновении аварий к человеческим жертвам, а также к зна-
чительному материальному и экологическому ущербу. Причиной
этого была ориентация в первую очередь на применение новейших
технических (технологических) достижений, стремление повысить
степень автоматизации и функциональные возможности системы и
в то же время недооценка необходимости построения эффективно-
го человекомашинного интерфейса (HMI, Human — Machine
Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя
(оператора). Однако, как показала практика, для построения эф-
фективных и надежных систем диспетчерского управления необхо-
димо применение нового подхода при разработке таких систем:
human-centered design (или top — down, сверху вниз), т.е. ориента-
ция в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его
задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося под-
хода hardware-centered (или bottom — up, снизу вверх), в котором
при построении системы основное внимание уделялось выбору и
разработке технических средств (оборудования и программного обе-
спечения).
Концепция SCADA позволяет строить эффективный человеко-
машинный интерфейс. Дружественность этого интерфейса в SCADA-
системах, полнота и наглядность представляемой на экране инфор-
мации, простота управления, удобство пользования подсказками и
справочной системой и т.д. повышает эффективность взаимодей-
ствия диспетчера с системой и сводит к минимуму его критические
ошибки при управлении.
Классическими объектами управления с применением SCADA-
систем являются нефтепроводы^ газопроводы, водопроводы, удален-
ные электрораспределительные подстанции и т.д. SCADA-системы
с точки зрения процесса управления имеют некоторые характерные
особенности: 1) в них обязательно наличие человека (оператора, дис-
петчера); 2) любое неправильное воздействие может привести к от-
казу (потере) объекта управления или даже катастрофическим по-
следствиям; 3) диспетчер несет, как правило, общую ответственность
за управление системой, которая при нормальных условиях только
изредка требует подстройки параметров для достижения оптималь-
ного функционирования; 4) большую часть времени диспетчер пас-
сивно наблюдает за отображаемой информацией, его активное уча-
стие в процессе управления происходит нечасто, обычно в случае
наступления критических событий — отказов, аварийных и нештат-
ных ситуаций и пр.; 5) действия диспетчера в критических ситуациях
могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами
или даже секундами).
Применение SCADA-системы добавляет дополнительный верхний
уровень автоматизации над уровнем PLC. Таким образом, эти АСУ
ТП — двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реа-
лизуется непосредственное управление технологическими процес-
сами.
Специфика каждой конкретной системы управления определяет-
ся используемой на каждом уровне программно-аппаратной плат-
формой.
Нижний уровень — уровень объекта (контроллерный) — включа-
ет различные датчики для сбора информации о ходе технологическо-
го процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реа-
лизации регулирующих и управляющих воздействий. Так как инфор-
мация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично
используется на месте, существенно снижаются требования к про-
пускной способности каналов связи. Информация с локальных кон-
троллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непо-
средственно, а также через контроллеры верхнего уровня.
Верхний уровень — диспетчерский пункт (ЦП) — включает прежде
всего одну или несколько станций управления, представляющих со-
бой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/операто-
ра. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM
PC различных конфигураций. К основным задачам, решаемым
SCADA-системами на верхнем уровне управления, относятся: 1) сбор
первичной информации от устройств нижнего уровня, причем этими
устройствами могут быть как промышленный контроллер, так и
плата ввода/вывода; 2) ведение базы данных реального времени с
технологической информацией с возможностью ее последующей об-
работки; 3) отображение (визуализация) информации на экране
монитора в понятной для человека форме в виде мнемосхем, графи-
ков и отчетов с возможностью ограниченного управления техноло-
гическим процессом.
Дополнительные задачи, решаемые SCADA-системами: 1) аварий-
ная сигнализация и управление тревожными сообщениями; 2) под-
готовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
3) архивирование технологической информации (сбор истории);
4) обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электрон-
ными таблицами, текстовыми процессорами и т.д.).
Для решения этих и некоторых других задач у всех современных
SCADA-систем имеются следующие основные компоненты:
1) сервер ввода/вывода, обеспечивающий передачу данных между
физическими устройствами ввода/вывода и остальными модулями
SCADA-системы;
2) база данных реального времени, которая собирает, хранит и
отдает информацию по требованию других компонентов;
3) клиент визуализации, обеспечивающий операторский интер-
фейс: отображает данные, поступающие от других модулей SCADA-
системы, и управляет выполнением команд оператора;
4) сервер тревог (алармов), который отслеживает данные, сравни-
вает их с допустимыми пределами, проверяет выполнение заданных
условий и отображает алармы на соответствующем узле визуализа-
ции;
5) сервер трендов, который собирает и регистрирует трендовую
информацию, позволяя отображать развитие процесса в реальном
масштабе времени или в ретроспективе в виде графиков;
6) сервер отчетов, генерирующий отчеты по истечению опреде-
ленного времени, при возникновении определенного события или
по запросу оператора.
Как правило, программный пакет SCADA состоит из двух частей:
среды разработки, где инженер рисует и программирует технологи-
ческие мнемосхемы, и среды исполнения, необходимой для выпол-
нения сконфигурированных мнемосхем в режиме повседневной
эксплуатации.
Управляющие системы SCADA строятся с использованием аппа-
ратной и программной технологий разных производителей и COTS-
технологий, нормативная база которых развивается и поддерживается
как в рамках международных (IEC/МЭК, ISO), так и национальных
(ANSI, DIN, IEEE, ГОСТ) организаций по стандартизации. Про-
граммные продукты класса SCADA широко представлены на мировом
рынке. Это несколько десятков SCADA-систем, многие из которых
разрабатываются и в России. Наиболее популярные из них: InTouch
(Wonderware) — США; Citect (CI Technology) — Австралия; Genesis
(Iconics Co) — США; Factory Link (United States Data Co) — США;
TraceMode (AdAstrA) — Россия.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 259.