Современные системы автоматизации

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.

Наши рекомендации