Информационно-управляющие и инфокоммуникационные системы

Современные иерархические АСУ ТП могут быть представлены че­тырехуровневой пирамидой, состоящей:

– из уровня датчиков и исполнительных механизмов (нулевой уровень);

– контроллеров сети (первый уровень или уровень программируемых логических контроллеров);

– диспетчерского уровня (второй уровень);

– уровня конвергенции (третий уровень), который объединяет ин­формационно-управляющие сети в единую распределенную информаци­онно-управляющую сеть (РИУС).

Современные распределенные АСУ ТП используют на указанных уровнях различные технологии, в том числе Интернет, интранет, OPC-тех­нологии и технологии «полевой шины» (fieldbus) [1].

Наличие в составе РИУС инфокоммуникационных и телемеханиче­ских (МСТМ, ИУС, АСДУ) систем позволяет РИУС реализовать межузло­вой обмен технологической, управленческой, конфигурационной и стати­стической информацией на произвольные расстояния.

РИУС – это основной класс систем для управления объектами кри­тической инфраструктуры, такими как территориально-распределенные нефтепромыслы, нефте- и газопроводы, производство и распределение электроэнергии и др.

На рис. 1.1 представлена архитектура РИУС, использующая в каче­стве инфокоммуникационной среды Интернет. Интернет – не единствен­ный вариант инфокоммуникационной системы (ИКС), однако его приме­нение позволяет получить ряд преимуществ, связанных с практически по­всеместным наличием этой сети, а также существованием разнообразных пользовательских сервисов и аппаратных продуктов для работы с Интер­нет.

В целом достоинствами РИУС являются [1]:

• снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие уда­ленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на труднодоступном объекте);

• снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагно­стике, отладке и обновлению программного обеспечения через ИКС;

• возможность контроля состояния производственного или техноло­гического процесса или управления им через мобильный телефон;

• возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр.

Рис. 1.1. Архитектура РИУС, использующей Интернет

Кратко охарактеризуем приведенные выше уровни иерархической РИУС (АСУТП) [1].

Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполни­тельные устройства. С датчиков начинается логическая цепочка процесса управления, а исполнительные устройства ее заканчивают.

Рассмотрим более подробно компоненты этого уровня.

Для измерения характеристик объектов существует огромное разно­образие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), которые преобра­зуют физическую величину в электрический сигнал.

В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к использова­нию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес и выполняют автома­тическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика. Интеллекту­альные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаме­няемости, в частности иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика.

К исполнительным устройствам относятся реле-пускатели, контак­торы, электромагнитные клапаны, электроприводы и др.

Первый уровеньсостоит из контроллеров (компьютеров) и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Modbus RTU, ModbusTCP, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в от­дельный уровень иерархии.

В автоматизированных системах вместо компьютера или одновре­менно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибра­ции и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защи­щены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (на­пример, Windows СЕ, QNX). Однако в последнее время наметилась тен­денция стирания грани между компьютером и контроллером

Простейшие ИУС могут состоять только из устройств нулевого и первого уровня.

Второй (диспетчерский) уровеньсостоит из рабочих станций – компьютеров с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ, HMI – Human Machine Interface), ПО и ИО которых реализуют множество функций, обеспечивающих сбор, обработку, хранение, передачу, распределение, ре­гистрацию и отображение технологической информации. Основой проек­тирования и эксплуатации современных РИУС (МСТМ,АСДУ) с задан­ными характеристиками, в том числе производительности и надежности, являются SCADA-пакеты.

Рассмотрим кратко действия диспетчера при управлении технологи­ческим процессом. Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за хо­дом технологического процесса или управление им с помощью мнемо­схемы на экране монитора компьютера. Диспетчерский компьютер выпол­няет также архивирование собранных данных, записывает действия опера­тора, анализирует сигналы системы технической диагностики, данные ава­рийной и технологической сигнализации, сигналы срабатывания устройств противоаварийных защит, а также выполняет часть алгоритмов управления технологическим процессом.

Благодаря объединению диспетчерских компьютеров в сеть наблю­дение за процессами может быь выполнено с любого компьютера сети, но управление, во избежание конфликтов, допускается только с одного ком­пьютера или функции управления разделяются между несколькими ком­пьютерами. Права операторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Пример типовой современной распределенной ИУС, включающей уровни иерархии с нулевого по второй, приведен на рис. 1.2 [1].

Рис. 1.2. Типовая РИУС, включающая три уровня иерархии

Важной частью второго уровня являются также базы данных реаль­ного времени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления.

Третий уровень появляется как средство интеграции систем. Если объект управления многофункционален и при этом каждая функция на­столько сложна, что автоматизация ее требует отдельной ИУС, то на третьем уровне происходит объединение этих ИУС с помощью ИКС, в ка­честве которой выступает распределенная локальная или, чаще, глобальная сеть (см. рис. 1.1).

Одной из основных характеристик РИУС является надежность функ­ционирования, на которую влияют как среднее времени наработки до от­каза системы, так и среднее время восстановления отказавших компонен­тов системы. Среднее время восстановления, в свою очередь, во многом определяется наличием автоматизированной системы тестового диагно­стирования (АСТД) или схем встроенного контроля (СВК). Таким образом, чтобы спроектировать и эксплуатировать систему с заданными надежност­ными характеристиками необходимо изучить методы теории надежности и технической диагностики.

Указанные факторы обусловили тематику данного учебного пособия, в котором подробно рассматриваются методы обеспечения надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых устройств и систем, методы построения самопроверяемых устройств встроенного контроля, методы тестового диагностирования и другие вопросы. Приводятся многочислен­ные примеры применения этих методов для повышения надежности эле­ментов и узлов ИУС и телекоммуникационных систем.