Системы автоматизации и управления технологическими процессами

  • Вид работы:
    Учебное пособие
  • Предмет:
    Другое
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    1,73 Мб
  • Опубликовано:
    2012-06-12
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Системы автоматизации и управления технологическими процессами

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина












СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

для студентов очного и заочного - дистанционного обучения по специальности 050718 - Электроэнергетика










Астана 2009

Министерство сельского хозяйства РК

УДК 681.5

Учебное пособие подготовлено ст. пр. кафедры «Эксплуатации электрооборудования» И.Н. Волошин.

Рецензенты: Кешуов С.А., д.т.н., профессор кафедры электроэнергетики КазНАУ;

Байниязов Б.А., к.т.н., заведующий кафедрой электроснабжения КазАТУ им. С.Сейфуллина.

Системы автоматизации и управления технологическими процессами: Учебное пособие. - Астана: Каз АТУ, 2009 - 7 2с., ил.

Компьютерный набор текстовой и графической части - Волошин И.Н.

В пособии рассмотрены общие теоретические принципы организации современных систем, автоматизации технологических процессов, представлены сведения о составляющих иерархию автоматизации частях, проведен анализ современных аппаратных и программных средств. Приводятся общие сведения о нормативной и документальной базе разработки и эксплуатации САУ ТП.

Данное пособие дает представления студенту, не только об основах автоматизации, но и рассматривается процесс обучения дисциплиной «Системы автоматизации технологических процессов». Приведены типовые задачи, методика их решения, задания для самостоятельного решения, некоторые справочные данные

Рассмотрено и одобрено к изданию - методической комиссия энергетического факультета (протокол №6 от 22 января 2009г.)

Учебно-методическим советом Каз АТУ им. С. Сейфуллина (Протокол №5 от 12 мая 2010)

1. ВВЕДЕНИЕ В КУРС САУ ТП

.1 Предпосылки появления САУ ТП

Современный этап развития промышленного производства характеризуется переходом к использованию передовой технологии, стремлением добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так и проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые производственные потери. Все это возможно только при условии существенного повышения качества управления промышленными объектами, в том числе путем широкого применения САУ ТП.

Технико-экономическими предпосылками создания САУ ТП являются, прежде всего, рост масштабов производства, увеличение единичной мощности оборудования, усложнение производственных процессов, использование форсированных режимов (повышенные давления, температуры, скорости реакций), появление установок и целых производств, функционирующих в критических режимах, усиление и усложнение связей между отдельными звеньями технологического процесса. В последнее время в развитии многих отраслей промышленности появились новые факторы, связанные не только с повышением требований к количеству и качеству выпускаемой продукции, но и с напряженностью в области трудовых ресурсов. Рост производительности труда, в том числе путем его автоматизации, становится практически единственным источником расширения производства. Указанные обстоятельства предъявляют новые требования к масштабам использования и к техническому уровню САУ ТП, к обеспечению их надежности, точности, быстродействия, экономичности, т.е. к эффективности их функционирования. Еще одной важной предпосылкой применения САУ ТП в промышленности является необходимость реализации значительных потенциальных производственных резервов. Заметим, что техническая база производства в большинстве отраслей промышленности достигла к настоящему времени такого уровня развития, при котором эффективность производственного процесса самым непосредственным и существенным образом зависит от качества управления технологией и организации производства. Поэтому на первый план выдвигается задача оптимального управления технологическими процессами, решить которую без развитой САУ ТП в большинстве случаев невозможно.

1.2 Система технологического процесса - САУ ТП

Технологические процессы служат материальной базой любого производства, поэтому для повышения таких характеристик производства, как производительность, качество (надежность) выпускаемой продукции, рентабельность производства, необходимо обеспечить «управляемость» процессов и внедрить автоматизированные системы управления ими. В понятие «технологический процесс как объект управления» включается, в частности, технологическое оборудование, кроме датчиков и исполнительных органов, которые являются конструктивными элементами оборудования, но входят в состав технических средств САУ ТП, поэтому управление технологическим процессом в последующем изложении означает управление режимами работы технологического оборудования.

Под термином «управляемый технологический процесс» в дальнейшем понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия (продукта), разработаны методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров (всех или их части) и методы управления процессом. Таким образом, управляемый технологический процесс представляет собой процесс, в принципе подготовленный для внедрения САУ ТП, т.е. для создания системы технологический процесс - САУ ТП (Рисунок.1.1).

На Рисунке 1.1 приняты следующие обозначения:

- ЭВМ;

- устройство связи с оператором;

- оператор;

- устройство сопряжения с объектом (УСО);

,9 - автономные устройства визуального контроля;

,8 - датчики;

- исполнительные органы;

- технологический объект управления (ТОУ).

Задачу, выполняемую в системе технологического процесса - САУ ТП можно сформулировать следующим образом: по полученным данным о технологическом процессе составить прогноз хода технологического процесса, а также составить и реализовать такой план управляющих воздействий (в том числе изменение режимов работы оборудования), чтобы в определенный момент времени состояние технологического процесса отвечало некоторому экстремальному значению обобщенного критерия качества процесса. Для решения этой задачи необходимо иметь математическую модель процесса, которая составляет основное содержание алгоритма управления, реализуемого САУ ТП.

Рисунок 1.1

1.3 Назначение, цели и функции САУ ТП

Назначение любой автоматизированной системы управления, ее необходимые функциональные возможности, желаемые технические характеристики и другие особенности в решающей степени определяются тем объектом, для которого создается данная система. Для САУ ТП управляемым объектом является так называемый технологический объект управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства целевого продукта. Приведенное определение ТОУ подчеркивает, с одной стороны, единство процесса и оборудования и, с другой - законченность преобразования входных ресурсов в конечный продукт (металл, электрическая или тепловая энергия, химические вещества, изделия и т.п.).

Управляя ТОУ, САУ ТП воздействует непосредственно на те или иные элементы оборудования: дроссельные и отсечные клапаны, задвижки, заслонки, дозирующие устройства и т.п. Интенсивность этих управляющих воздействий во время эксплуатации выбирают так, чтобы реализуемый в технологическом оборудовании процесс переработки входных материальных и энергетических потоков осуществлялся наиболее целесообразным образом.

При разработке САУ ТП важно правильно выделить объект управления из общей производственно - технологической структуры предприятия. Для этого учитывают назначение и роль отдельных аппаратов, агрегатов и установок, степень зависимости их работы от других, соседних производственных участков, наличие разделительных (буферных) емкостей между ними, наконец, принятую (или желательную) на данном производстве степень централизации управления.

В соответствии с этим в качестве ТОУ могут рассматриваться:

технологические агрегаты и установки;

отдельные производства, реализующие самостоятельный, законченный технологический цикл;

производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им носит в первую очередь и в основном технологический характер, т.е. заключается в выборе и согласовании рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов, участков и производств.

Назначение САУ ТП обычно можно определить как целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и вышестоящих систем управления необходимой информацией. В ряде случаев, когда функционирование новых сверхмощных объектов без современной САУ (АСУ) оказывается практически невозможным, назначением такой системы является достижение реализуемости и устойчивости технологического процесса при высокоинтенсивных и экономичных режимах использования оборудования. Создание и функционирование каждой САУ ТП должно быть направлено на получение вполне определенных технико-экономических результатов (снижение себестоимости продукции, уменьшение потерь, повышение производительности труда, качества целевых продуктов, улучшение условий труда персонала и т.п.). Поэтому после определения назначения САУ ТП необходимо четко конкретизировать цели функционирования системы. Примерами таких целей для промышленных технологических объектов могут служить: обеспечение безопасности его функционирования; стабилизация параметров входных потоков; получение заданных параметров выходных продуктов; оптимизация режима работы объекта; согласование режимов работы оборудования. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью, так называемого критерия управления, т.е. показателя, достаточно полно характеризующего качество ведения технологического процесса и принимающего числовые значения в зависимости от вырабатываемых системой управляющих воздействий. В строгой, обычно математической форме, критерий управления конкретизирует цель создания данной системы. Одна из общих постановок вопроса о критерии управления сводится к стремлению получить наибольший экономический эффект, который определяется разностью стоимостей получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и других затрат. Оптимальным будет такое управление процессом, которое позволит добиться максимального значения этой разности. Не меньшую роль, чем критерий, играют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющих воздействий. Ограничения бывают двух видов: физические, которые не могут быть нарушены даже при неправильном выборе управляющего воздействия, и условные, которые могут быть нарушены, но нарушение приводит к незначительному ущербу, не учитываемому критерием. При управлении часто наиболее существенные факторы учитываются именно ограничениями, а не критерием.

Как правило, общих критерий экономической эффективности управления технологическим процессом неприменим из-за сложности определения необходимых количественных зависимостей в конкретных условиях; в таких случаях формируют частные критерии оптимальности, учитывающие специфику управляемого объекта и дополненные условными ограничениями.

Такими частными критериями, например, могут быть:

максимальная производительность агрегата при определенных требованиях к качеству продукции, условиях эксплуатации оборудования и т.д.;

минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объеме и заданного качества;

минимальный расход некоторых компонентов, например дорогостоящих присадок или катализатора.

Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимального) хода технологического процесса, в системе управления им необходимо в нужном темпе выполнять множество взаимосвязанных действий: собирать и анализировать информацию о состоянии процесса, регистрировать значения одних переменных и стабилизировать другие, принимать и реализовывать соответствующие решения по управлению и т.д. Именно эта «деятельность» системы управления была ранее названа функционированием, т.е. выполнением ею установленных функций. Теперь дадим определение и краткие разъяснения этого понятия.

Функция САУ ТП - это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. При этом в качестве действий рассматриваются заранее предопределенные и описанные в эксплуатационной документации последовательности операций и процедур, выполняемые частями системы. В большинстве случаев под термином «функция САУ ТП» понимают такую законченную совокупность действий, выполняемых системой, которая проявляется вне ее и поэтому имеет определенную потребительскую ценность. Функции САУ ТП в целом как человеко-машинной системы следует отличать от функций, выполняемых комплексом технических средств системы (в том числе средствами вычислительной техники). Неправильно рассматривать вместо функций всей системы (включая человека) только совокупность действий, осуществляемых автоматически ее техническими средствами. Хотя значение подобных действий, реализуемых без участия человека, очень велико, однако они не характеризуют полностью поведение и возможности всей САУ ТП. Как правило, в системе за человеком (оператором, диспетчером) сохраняется главная, определяющая роль в выполнении наиболее сложных и ответственных функциональных задач. Поэтому необходимо рассматривать весь комплекс функций САУ ТП, включая те из них, которые осуществляются при участии персонала. Принято различать информационные и управляющие функции САУ ТП. К информационным относятся такие функции САУ ТП, результатом выполнения которых являются представление оператору системы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе управляемого процесса. Характерными примерами информационных функций САУ ТП являются:

контроль за основными параметрами, т.е. непрерывная проверка соответствия параметров процесса допустимым значениям и немедленное информирование персонала при возникновении несоответствий;

измерение или регистрация по вызову оператора тех параметров процесса, которые его интересуют в ходе управления объектом;

информирование оператора (по его запросу) о производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный момент;

фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса за допустимые пределы;

вычисление по вызову оператора некоторых комплексных показателей, неподдающихся непосредственному измерению и характеризующих качество продукции или другие важные показатели технологического процесса;

вычисление достигнутых технико-экономических показателей работа технологического объекта;

периодическая регистрация измеряемых параметров и вычисляемых показателей;

обнаружение и сигнализация наступления опасных (предаварийных, аварийных) ситуаций.

Выполняя эти основные информационные функции, САУ ТП своевременно обеспечивает своего оператора (диспетчера) или вышестоящую систему сведениями о состоянии и любых отклонениях от нормального протекания технологического процесса.

Управляющие функции САУ ТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на объект управления. Здесь под выработкой понимается определение (на основании полученной информации) рациональных воздействий, а под реализацией - действия, обеспечивающие осуществление принятых после выработки решений.

К основным управляющим функциям относятся:

стабилизация переменных технологического процесса на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства;

программное изменение режима процесса по заранее заданным законам;

защита оборудования от аварий;

формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима, оптимального по технологическому или технико-экономическому критерию;

распределение материальных потоков и нагрузок между технологическими агрегатами;

управление пусками и остановами агрегатов и др.

Перечень всех функций, выполняемых конкретной САУ ТП (т.е. ее функциональный состав), характеризует внешние, потребительские возможности данной системы.

Вопросы для самопроверки

. Предпосылки внедрения САУ ТП в технологический процесс?

. Преимущества получаемые от внедрения САУ ТП?

. Управляемый технологический процесс - это?

. Задача выполняемая САУ ТП в технологическом процессе?

. Назначение САУ ТП в технологическом процессе?

. Что необходимо учитывать при разработке САУ ТП?

. Функции САУ ТП?

. Управляющие функции САУ ТП?

2. Современная структура автоматизации

.1 Иерархическая структура автоматизации

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 системы автоматизации технологических процессов (САУ ТП) компонуются в агрегатные комплексы технических средств (КТС), которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и конкретных задач по автоматизации технологических процессов выполняется согласно международной стандартизации, формируемой МЭК (Международная Электротехническая Комиссия).

Задачи автоматизации могут принципиально решаться центральной либо децентрализованной структурой автоматизации. Какая структура подходит лучше, зависит от процесса или производственного цикла, который необходимо автоматизировать. Многие процессы состоят из частичных процессов и структурированы уже с точки зрения техники - децентрализовано. В таких случаях каждой части установки или частичному процессу подчинена собственная система автоматизации. Для нескольких из этих децентрализованных систем автоматизации на подчиняющем уровне выделена дополнительная общая система, координирующая данные подчиняющиеся системы. В зависимости от сложности или величины установок, подлежащих автоматизации, над этим уровнем могут располагаться другие уровни. Иерархические структуры принятия решения приводят к иерархическим структурам автоматизации.

Структурная модель требований, предъявляемых к автоматизации, похожа на пирамиду, разделенную на уровни (Рисунок 2.1). Она позволяет отчетливо разделить задачи автоматизации и их решения соответствующими системами, т.е. системами, оптимально настроенными на соответствующее задание.

. Уровень датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень).

. Уровень управления.

. Уровень управления технологического процесса.

. Уровень управления производством (верхний уровень).

. Уровень планирования

При решении задач автоматизации для каждого уровня действуют следующие принципы:

. Получение и обработка информации на каждом уровне должны осуществляться независимо, насколько это возможно;

. Время обмена информацией между уровнями должно быть как можно меньшим и не критичным по времени;

. Интерфейсы должны быть определены физически и по содержанию.

Рисунок 2.1 - Иерархия современной распределённой системы автоматизации (Учет рабочих параметров - BDE, учет параметров машин - МDE)

2.2 Задачи уровней автоматизации

Функцией самого нижнего уровня, "полевого", является учет параметров состояния и влияния на параметры тех. процесса. Здесь используются датчики и исполнительные элементы (называемые также исполнительными механизмами).

Датчики - это конструкционные элементы или приборы, преобразующие физические величины, как давление и температура, или концентрацию химических веществ в электрические сигналы.

Исполнительные механизмы - это приводы, насосы, клапаны или захваты.

На уровне управления располагаются контроллеры, осуществляющие непосредственный сбор данных от датчиков и управление исполнительными устройствами. Размер данных, которыми контроллер обменивается с оконечными устройствами, обычно составляет несколько байтов при скорости опроса устройств не более 10 мс.

В последнее время рассматриваемая структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet/Intranet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными условиями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление четвертого, самого нижнего уровня САУ ТП - уровня сети оконечных устройств.

На уровне управления технологическим процессом осуществляется текущий контроль и управление либо в ручном режиме с операторских пультов, либо в автоматическом режиме по заложенному алгоритму. На этом уровне выполняется согласование параметров отдельных участков производства, отработка аварийных и предаварийных ситуаций, параметризация контроллеров нижнего уровня, загрузка технологических программ, дистанционное управление исполнительными механизмами. Информационный кадр на этом уровне содержит, как правило, несколько десятков байтов, а допустимые временные задержки могут составлять от 100 до 1000 миллисекунд в зависимости от режима работы.

На уровне управления производством располагаются обычные IBM-PC-совместимые компьютеры и файловые серверы, объединенные локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне - обеспечение визуального контроля основных параметров производства, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых между узлами данных измеряются мегабайтами, а временные показатели обмена информацией не являются критичными.

Данный уровень включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера \ оператора. Здесь же может быть установлен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции).

Для полноты картины следует упомянуть еще уровень планирования, включающий в себя координирующие и административные функции всего предприятия, как материально-техническое снабжение, планирование мощностей или статистику.

2.3 Обмен информацией между уровнями

Все уровни пирамиды должны иметь вертикальную информационно-техническую связь друг с другом; между ними осуществляется обмен информацией. Этот обмен информацией происходит в обе стороны, снизу вверх и сверху вниз. Рассмотрим такую „вертикальную коммуникацию" на примере полевого уровня - уровня управления. Данные из процесса, напр., измерительные величины подлежат передаче на местный уровень низовой автоматизации. Речь идет о небольшом кол-ве информации, являющейся актуальной в конкретный момент времени, однако, с высоким требованием к скорости передачи информации, напр., сообщение о состоянии опасности, которое должно приводить к быстрой остановке агрегата. Отдельные датчики и исполнительные элементы на работающих сегодня установках зачастую не имеют еще собственной логики и присоединены непосредственно к уровню управления. О коммуникации в собственном смысле говорить еще нельзя, поскольку информация возникает постоянно, напр., в качестве аналогового сигнала. Но и здесь уже заметно влияние микроэлектроники. Так, начинают использовать датчики, способные самостоятельно обрабатывать сигналы, производить предварительную обработку измерительных величин, сравнивать нормальные и предельные значения либо получать и передавать несколько значений. Эти „интеллектуальные" датчики уже сообщаются друг с другом и перемещают, таким образом, часть задач автоматизации на полевой уровень. Тем самым удается, в общем, увеличить производительность обработки данных и одновременно сократить коммуникацию между полевым уровнем и стоящим над ним уровнем низовой автоматизации, т.к. на верхний уровень передаются только релевантные данные в сжатой форме. Более выражена логика компонентов на уровне управления. Уже сегодня они сообщаются не только с системами стоящего выше уровня управления производством, но также и с компонентами внутри своего уровня. Требования к коммуникации на иерархических уровнях различны. На полевом уровне приводы и датчики сообщаются в основном очень интенсивно друг с другом или с вышестоящим уровнем; при этом объем информации относительно мал и срок службы данных невелик. Но высокие требования короткого времени реакции требуют коммуникации в реальном времени. С возрастанием уровней в иерархии задачи автоматизации принудительным образом централизуются в большей степени. Хотя кол-во устройств, участвующих в процессе автоматизации, уменьшается, однако сами эти устройства становятся производительнее. Частотность отдельных передач между ними сокращается, но, напротив, увеличиваются размер и срок актуальности блоков данных, требования к реальному времени понижаются. Несмотря на эти различия, потребность в горизонтальной и вертикальной коммуникации встречается на всех уровнях (см. Рисунок 2.2).

При этом каждый уровень работает в основном с данными, которые ему подчинены. Данные, которые должны передаваться на вышестоящие уровни, необходимо вначале сокращать и сжимать. Связанная с этим информационная концентрация препятствует тому, чтобы один уровень был перегружен данными из другого уровня. Данные, которые должны передаваться на нижестоящий уровень, необходимо перед этим расширить дополнительной информацией. Если эти принципы при структурировании задачи автоматизации будут выполняться, т.е. если каждый уровень будет самостоятельным, насколько возможно, и обмен информацией между уровнями будет минимальным, то объем горизонтального потока информации на каждом уровне будет увеличиваться.

Рисунок 2.2 - Горизонтальная и вертикальная коммуникация - важнейшие элементы любой автоматизации

При прямых связях (двухпунктовых связях), как показано на Рисунок 2.3, коммуникация между двумя компонентами одного уровня возможна только через вышестоящий уровень. Частично это привносит длинный путь для прохождения информации. Информация может запаздывать, если вышестоящая система оказывается с ограниченной пропускной способностью.

Рисунок 2.3 - Компоненты автоматизации с прямыми связями

В частности на нижних уровнях, где особенно важна быстрая передача, для горизонтальной коммуникации, для "поперечного движения" внутри одного уровня, нужно идти другим путем. Все устройства и системы уровня автоматизации, между которыми возникают коммуникативные отношения, должны быть связаны друг с другом. Иначе говоря: каждый партнер коммуникации должен быть соединен с каждым другим (Рисунок 2.4). В крупных проектах автоматизации такая структура вскоре станет запутанной.

Рисунок 2.4 - Прямые (двухпунктовые) связи с интенсивным поперечным движением приводят к плохо просматриваемым структурам

Рисунок 2.5 - С возрастанием иерархической ступени требование быстрой передачи уменьшается, зато возрастает кол-во информации, передаваемой за один раз

Коммуникация внутри различных уровней автоматизации - от полевого уровня до уровня планирования - предъявляет разные требования к шине (Рисунок 2.5). Большое значение для мощности и стоимости шины передачи данных имеют способ и количество передаваемых данных. На полевом уровне между многими партнерами передаются данные малым количеством и высокой степени актуальности. Среда передачи должна быть недорогой. Чем выше иерархическое положение, тем больше характеристик имеют передаваемые данные. Т.е., между немногими партнерами передаются большие пакеты данных, являющиеся актуальными длительное время. Шина должна справляться с таким количеством информации. Независимо от топологии сети для коммуникации используются различные среды передачи с разной степе

2.4 Стандартные решения САУ ТП

Структура САУ ТП 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 САУ ТП 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 (случайные по времени доставки сообщений или гарантирующие время их доставки).

Рисунок 2.6 - Простейшая структура САУ ТП

Указанные свойства САУ ТП характеризуют возможность:

распределения аппаратуры в производственных цехах;

объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного в данной САУ ТП;

возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур САУ ТП представлена на Рисунок 2.6. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры (Уровень управления), второй - пульт оператора (Уровень управления технологическим процессом), 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.

Увеличение информационной мощности (количества входных/выходных переменных) объекта управления, расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программно-технических комплексов (Рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Структура САУ ТП

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 САУ ТП различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др.

Основные функции серверов:

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.

Современные САУ ТП, 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 САУ ТП станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных САУ ТП связана с активным проникновением Internet технологий на уровень промышленной автоматизации. Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами, как зарубежные, так и отечественные, встраивают поддержку данных технологий в свои продукты. Наиболее широким применением Internet-технологий в САУ 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.).

Вопросы для самопроверки

. Предпосылки внедрения САУ ТП в технологический процесс?

. Преимущества, получаемые от внедрения САУ ТП?

. Управляемый технологический процесс - это?

. Задача, выполняемая САУ ТП в технологическом процессе?

. Назначение САУ ТП в технологическом процессе?

. Что необходимо учитывать при разработке САУ ТП?

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ

.1 Общие сведения

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой электронно-вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных САУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически. В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом.

На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации. Среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, Ethernet и др. Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума.

Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций:

прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

считывание данных с подключенных датчиков;

преобразование полученных данных в цифровую форму;

отработка запрограммированного технологического алгоритма;

выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

передача накопленной информации на другие узлы сети.

САУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными централизованными системами имеют несколько особенностей:

Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных).

Повышение надежности функционирования и живучести САУ ТП на базе промышленных сетей также связано с распределением функций контроля и управления по различным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISO/OSI Model). Модель ISO/OSI распределяет сетевые функции по семи уровням (Таблица № 3.1).

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов, например, вид кодировки, частота передачи, длина и тип линии, тип штекерного разъема и т.д. Наиболее широко распространенный Fieldbus стандарт первого уровня - это интерфейс RS-485.

Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами сети. Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, производит деление и сборку пакетов.

Таблица 3.1 - Уровни модели OSI

7

Прикладной уровень (Application Layer)

6

Уровень представления (Presentation Layer)

5

Сеансовый уровень (Session Layer)

4

Транспортный уровень (Transport Layer)

3

Сетевой уровень (Network Layer)

2

Канальный уровень (Data Link Layer)

1

Физический уровень (Physical Layer)

Сеансовый уровень координирует взаимодействие между узлами сети. Уровень представления занимается при необходимости преобразованием форматов данных. Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных.

Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах. На практике большинство промышленных сетей (Fieldbus) ограничивается только тремя уровнями, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks. Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфейсов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируемых технологических процессов. Эти требования не могут быть удовлетворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные. Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, необходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется. В зависимости от места сети в иерархии промышленного предприятия требования к ее функциональным характеристикам будут различны.

На каждом уровне технологического процесса производится обработка специфических наборов данных. При выборе конфигурации сосредоточенных и распределенных САУ ТП необходимо учитывать скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы. Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями. Объединение в единую цифровую сеть нескольких устройств образует уникальные системы, как правило, поддерживаемые одним производителем, являющиеся «закрытыми» системами САУ ТП.

Иерархия АСУ промышленных предприятий обычно представляется в виде четырех этажной пирамиды:

Рисунок 3.1 - Иерархия современной распределённой системы автоматизации

3.2 Локальные сети

В технике коммуникации и обработки данных уже несколько лет с успехом используются „локальные сети" (LAN - Local Area Networks) и серийные шины для передачи информации (Рисунок 3.2). Локальные сети берут свое начало с развитием XEROX Corporation в середине 70х годов в США. Они заполнили пробел между зачастую длительной по времени дистанционной передачей данных по телефонному кабелю с одной стороны и быстрой компьютерной связью в "системных шинах", в основном имеющих протяженность лишь несколько метров, с другой стороны.

Сегодня установки автоматизации сообщаются друг с другом уже во многом по локальным сетям. Техника автоматизации предъявляет различные, иногда конкретные требования к локальной сети. Такие требования могут касаться скорости передачи данных, количества подключаемых компонентов автоматизации, а также расширения сети или ее стоимости.

Рисунок 3.2 - Локальные сеть (LAN - Local Area Networks) и серийные шины для передачи информации

Каждая из применяемых сегодня сетей отвечает некоторым требованиям в наибольшей степени, другим в меньшей степени. Поэтому локальные сети в принципе разделяются по трем критериям:

по форме сети (топологии),

по используемой среде передачи и

по способу доступа.

Хорошее определение локальным сетям (LAN) дает European Computer Manufacturer Association (ECMA):

LAN - это система передачи данных, предоставляющая возможность нескольким независимым устройствам сообщаться друг с другом.

LAN отличается от других информационных сетей тем, что коммуникация ограничивается географической областью в зоне охвата сети.

LAN использует среду передачи данных со скоростью от средней до высокой, а также с очень низкой частотой ошибок.

Локальные сети обозначаются в научной литературе также часто как шины или шинные системы. Шина - это общая информационная линия, к которой подключены все партнеры коммуникации, т.е. определенный способ транспортировки данных.

В зависимости от случая применения шины могут быть реализованы физически по-другому. Наряду с линией различают форму звезды, кольца, дерева. Каждая из этих структур (или топологий) имеет определенные преимущества и находит соответствующее применение в различных отраслях техники автоматизации. На Рисунок 3.3 показаны основные структуры. При необходимости использования в коммуникации телефонных линий и мини-АТС образуется структура в форме звезды. Расширения в звездообразной структуре, в общем, не выгодны, звезда не гибкая, поскольку центральная станция должна располагать возможностью подключения для каждой вновь подключаемой системы - иметь необходимый разъем. Кроме того, вся горизонтальная коммуникация осуществляется через централь, что имеет значительный недостаток. И, наконец, по этой причине функция всей сети зависит от централи. В кольцеобразной форме управление и контроль сети разделены зачастую между всеми участниками.

Сетевые узлы - это другое наименование участников - имеют по два разъема, которыми они связаны с другими участниками.

Рисунок 3.3 - Компоненты автоматизации соединяются друг с другом различными способами

Они постоянно активны и регенерируют проходящие сообщения. Из-за такого усиления сигнала кольцеобразные сети могут тянуться на большие расстояния. Однако их недостаток в том, что каждая станция должна быть в постоянной готовности, т.к. в противном случае кольцо будет прервано и вся сеть будет нарушена. Из соображений надежности работы колец должно быть два, т.е. в конструкции должен быть предусмотрен резерв. С точки зрения кабельного соединения кольцо является самой дорогостоящей формой. Чистая кольцеобразная структура, как изображено на Рисунок 3.3, на практике вряд ли встречается. Если в здании устанавливают кольцеобразную систему и в последствии ее расширяют, она, скорее всего, выглядит, как показано на Рисунок 3.4. Линия, напротив, является самым дешевым видом кабельного соединения. Она не зависит от иерархического расположения участников. Все участники разветвлениями подключены к общему кабелю. В противовес кольцевой структуре здесь используется лишь половина кабеля. Линейная структура имеет также множество других преимуществ, т.к. есть физическая возможность коммуникации каждой станции с каждой другой. Поэтому сегодня повсеместно она используется синонимом понятию „шина". Древовидная структура представляет собой модификацию линейной структуры, множество "ветвей" соединено со "стволом". Расширения возможны с помощью присоединения дальнейших ветвей. Таким образом, возникают крупные сети, в которых могут интегрироваться подсети с различной топологией.

Рисунок 3.4 - Кабельное соединение в кольцеобразной сети внутри здания не выгодно

Среда передачи должна быть недорогой. Чем выше иерархическое положение, тем больше характеристик имеют передаваемые данные. Т.е., между немногими партнерами передаются большие пакеты данных, являющиеся актуальными длительное время. Шина должна справляться с таким количеством информации. Независимо от топологии сети для коммуникации используются различные среды передачи с разной степенью мощности.

Шины конструируются из кабелей, так называемых передающих сред. В основном различают три среды передачи данных: скрученный двужильный кабель (twisted pair), коаксиальный кабель и за последнее время все более часто применяемый световод (стекловолоконный волновод).

3.3 AS-интерфейс

интерфейс (Actuators/Sensors interface - интерфейс исполнительных устройств и датчиков) является открытой промышленной сетью нижнего (полевого) уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами и датчиками. AS-интерфейс позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс позволяет подключать обычные широко распространенные датчики и исполнительные механизмы. Кроме того, в настоящее время существенно расширяется номенклатура датчиков и исполнительных механизмов со встроенной в их электронную часть интегральной микросхемой ведомого устройства AS-интерфейса.

Гибкость управления системой достигается за счет применения различных ведущих устройств. Функции ведущих устройств могут выполнять программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры или модули связи с сетями более высокого уровня - ModBus, Interbus, CANopen, DeviceNet, Profibus и др.

Физические характеристики

Наиболее важными физическими характеристиками AS-интерфейса и его компонентов являются следующие: 2-жильный кабель для передачи сигналов и подачи напряжения питания.

Можно использовать простой 2-жильный кабель с поперечным сечением 2x1.5 мм2. Необходимости в использовании экранированного кабеля или витой пары нет. По одному кабелю передаются одновременно и данные, и напряжение питания. Мощность, которая может быть подана на ведомое устройство, зависит от используемого блока питания AS - интерфейса.

Для выполнения соединений оптимальным образом предлагается кабель специального профиля, исключающий подключение с неправильной полярностью и позволяющий производить подключение пользовательских модулей AS-интерфейса методом прокалывания оболочки кабеля.

Древовидная топология сети при длине кабеля до 100 м

Древовидная топология AS-интерфейса позволяет использовать любую точку сегмента кабеля как начало новой ветви. Суммарная длина всех подсекций может достигать до 100 м.

Таблица 3.2 - Отличительными чертами AS-интерфейса являются следующие основные характеристики

Топология

Шина, дерево, звезда, кольцо

Число устройств

До 62

Число подключаемых датчиков и исполнительных механизмов

До 4 датчиков и 3 исполнительных механизмов на одно ведомое устройство До 248 датчиков и 186 исполнительных механизмов на одно ведущее устройство

Максимальная протяженность линии

Без повторителей/расширителей до 100м С повторителями/расширителями до 300м

Электропитание

Через шину AS - интерфейса: 2,8А (ном) 8А (макс.) при 29.5 - 31.6 В

Время цикла обновления данных

При 31 ведомом устройстве - не превышает 5мс При 62 ведомых устройствах - не превышает 10 мс


3.4 HART- Протокол

Унифицированный сигнал 4 - 20 мА для передачи аналоговых сигналов известен несколько десятков лет и широко используется при создании САУ ТП в различных отраслях промышленности. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, использование его во множестве приборов, возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось наряду с аналоговой информацией передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным возможностям.

С этой целью американской компанией Rosemount был разработан протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer). HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции стандарта BELL 202 FSK, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый сигнал. Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4 - 20 мА.

Стандарт BELL 202 FSK - кодировка сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4 - 20мА. Поскольку среднее значение FSK сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4 - 20мА.

Схема взаимоотношения между узлами сети основана на принципе Master\Slave. В HART - сети может присутствовать до 2-х Master-узлов (обычно один). Второй Master, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи, с какой либо системой контроля \ отображения данных. Стандартная топология - «звезда», но возможна и шинная топология. Для передачи данных по сети используются два режима:

асинхронный: по схеме «Master - запрос/ Slave - ответ» (один цикл укладывается в 500мс);

синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные мастер - узлу (время обновления данных в мастер - узле 250-300мс).

Рисунок 3.5 - Кодировка сигнала методом частотного сдвига

Основные параметры HART - протокола:

длина полевой шины - 1,5км;

скорость передачи данных - 1,2 Кб/с;

число приборов на одной шине - до 16.- протокол позволяет:

проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерений через удаленную полевую шину;

не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания (электропитание реализуется от блоков питания контроллеров через полевую шину);

увеличить информационный поток между контроллером и приборами, при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о неисправностях по полевой шине, а далее - оператору.

Протокол PROFIBUS

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен сложными, длинными сообщениями со средней скоростью. В другом - требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа во взрыво- и пожароопасных условиях производства. PROFIBUS имеет эффективное решение для любого из этих случаев.- семейство промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия. Под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Рисунок 3.6 - Характеристики протокола PROFIBUS

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение - передача больших объемов данных. Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена данными между программируемым логическим контроллером и распределенными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи - экранированная витая пара стандарта RS-485.

Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-Slave» (ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает управляющие команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.PA - это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.

Протокол PROFINET- это инновационный открытый стандарт Industrial Ethernet (IEC 61158) для систем промышленной автоматизации. PROFINET обеспечивает доступ к устройствам полевого уровня со всех уровней управления предприятием. PROFINET позволяет выполнять системно широкий обмен данными, поддерживает проектирование в масштабах предприятия и использует IT стандарты вплоть до полевого уровня. Существующие сети полевого уровня (например, PROFIBUS) могут быть интегрированы в PROFINET без модификации установленной аппаратуры. В стадии подготовки находятся решения для автоматизации непрерывных и периодических процессов.

Уже сейчас PROFINET хорошо зарекомендовал себя в автомобильной и пищевой промышленности, на предприятиях по производству напитков и табачных изделий, в логистике и других областях. PROFINET - это всеобъемлющий стандарт, охватывающий все требования по использованию Ethernet в системах автоматизации.позволяет производить простое подключение существующих сетей полевого уровня. Подключение выполняется через модули, выполняющие функции proxy сервера. По отношению к сетям PROFIBUS или AS-Interface они выполняют функции ведущих устройств. В сети Industrial Ethernet они способны осуществлять обмен данными со станциями, поддерживающими стандарт PROFINET. Такой подход позволяет защищать инвестиции предприятий, сделанные на более ранних этапах построения системы автоматизации.базируется на функциональных возможностях Industrial Ethernet и использует стандарт TCP/IP (транспортный протокол/ Internet протокол) для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики. Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными в сети Ethernet.

3.7 Протокол INDUSTRIAL INTERNET

На уровне управления производством сети Ethernet уже давно завоевали себе прочное лидирующее место. Решения на базе Ethernet практически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений, и сегодня Ethernet является основным средством обмена в локальных сетях. В последнее время Ethernet стал активно проникать и в комплексы управления производственными процессами. Появился целый ряд аппаратных средств (коммутаторов и концентраторов), выполненных в соответствии с требованиями промышленных условий эксплуатации. Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к использованию хорошо адресуемых логических протоколов. Уже сейчас большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP. Это позволяет легко интегрировать локальные системы управления технологическими процессами в сети любого масштаба, включая глобальную сеть Internet. Основным фактором, обеспечившим Ethernet победное шествие в сфере АСУ, явилось наличие огромного выбора совместимых между собой аппаратных и программных средств построения сетей этого стандарта.

Большое количество производителей и конкуренция между ними дали естественный экономический результат: решения на базе Ethernet практически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений.

Поэтому следует считаться с желанием пользователей распространить сферу применения Ethernet в промышленные цеха на уровень низовой автоматики. Но очевидно, что использование стандартного набора аппаратных и программных решений в САУ ТП невозможно, так как офисное оборудование не выдержит эксплуатации в запыленных помещениях, а протокол 802.3 не гарантирует сеть от «зависания» при повышении интенсивности трафика. Тем не менее, промышленный Ethernet существует и активно расширяет сферу своего применения.

Сравнительная характеристика сетей и шин

Таблица 3.3 - Сравнительная характеристика сетей и шин

Сеть

Топология, метод доступа

Физическая среда

Длина

Скорость

Узлы

Ethernet

Шина, звезда

Коак. кабель Витая пара оптоволокно

100м 2800м

10Мбод 100Мбод


Profibus

Шина M\S, маркер

Витая пара оптоволокно

9600м 90км

12Мбод

125

BitBus

Шина M\S

2-ве пары проводников

300м 1200м

375Кбод 62,5Кбод

28

MODBUS

Шина M\S

Витая пара

1200м

115,2КБод

254

DeviceNet

Шина

Витая пара

100м 500м

500Кбод 125Кбод

64

ASI

Шина, звезда, кольцо, M\S

Витая пара

100м - сегмент

-

31

HART

Шина M\S


1500м

1,2Кбод

16

Fieldbus Foundation

Шина, звезда



До 1Мбод

16


Вопросы для самопроверки

. Перечислите недостатки централизованных САУ ТП?

. Что представляет собой промышленная сеть?

. Какие функции которые выполняет каждый узел промышленной сети?

. Особенности промышленных сетей по отношению к централизованным?

. Что представляет собой модель ISO/OSI?

. Опишите каждый из уровней модели ISO/OSI?

. Что означает термин "Локальные сети"?

. Критерии разделения локальных сетей.

. Сетевые узлы это?

. Перечислите топологии сетей?

. Что представляет собой AS - интерфейс?

. Назначение HART протокола?

. Основные достоинства PROFIBUS протокола?

. Характеристики протокола PROFIBUS?

. Назначение протокола INDUSTRIAL INTERNET?

4. Техническое обеспечение САУ ТП

.1 Программируемые логические контролеры

В архитектуре САУ ТП контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень) и системами 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. Большинство современных контроллеров изготавливается по секционно-блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс.

Такой конструктив позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули без изменения архитектуры всей системы.

Основными функциональными элементами контроллеров являются:

• корпус;

• источник питания;

• процессорный модуль;

• модули ввода-вывода (модули Устройство Связи с Объектом);

• модули связи и интерфейсов (коммуникационные модули);

• специализированные модули.

Источник питания должен обеспечивать непрерывность и надежность работы всех узлов контроллера. Особое внимание уделяется наличию резервного источника питания (как правило, аккумуляторная батарея), который, позволяет сохранять информацию при отключении внешнего электропитания.

Модуль процессора в зависимости от используемой элементной базы может быть 8-, 16- и 32- разрядным. Объем оперативной памяти существенно различается в различных моделях контроллеров: от десятков килобайт до десятков мегабайт. По логическому построению модуль процессора контроллера аналогичен системному блоку персонального компьютера, где вместо дисковых накопителей в контроллерах используются перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) и flash-память. В некоторых моделях контроллеров flash-память отсутствует, в других - может достигать десятков, а иногда и сотен мегабайт. В модуле процессора встроены также часы реального времени (RTC).

Модули ввода-вывода предназначены для преобразования входных аналоговых и дискретных сигналов в цифровую форму и выдачи управляющего воздействия в виде аналогового или дискретного сигнала. Модули аналогового ввода рассчитаны на ввод унифицированных сигналов тока (0 … 5мА, 4… 20мА) и напряжения (0 … 10В,± 10В). Имеются специализированные модули аналогового ввода, рассчитанные на непосредственное подключение различных датчиков (например, термопар, термосопротивлений). Модули аналогового вывода преобразуют цифровой сигнал в унифицированный сигнал тока или напряжения. Модули дискретного ввода-вывода чаще всего работают с низкоуровневыми дискретными сигналами (24В постоянного тока). Некоторые модели контроллеров располагают модулями дискретного ввода высокоуровневых сигналов постоянного или переменного тока (до 250В) и модулями дискретного вывода, организованных с использованием тиристоров, симисторов (до 250В, 300 … 500 мА) и сильноточными реле (250В, 2 А).

Модули связи и интерфейсов обеспечивают связь контроллеров с верхним уровнем, а также между собой. В практике построения САУ ТП используются различные интерфейсы и протоколы передачи данных посредством сети: последовательные интерфейсы: RS-232, 422, 485 и т.д.; сетевые протоколы: Ethernet, Profibus, CAN, Modbus и др. Все современные программируемые логические контроллеры (ПЛК) обладают развитыми программными средствами. Несмотря на существование международного стандарта на языки программирования программируемых логических контроллеров IEC 61131-3 многие производители снабжают свои контроллеры технологическими языками собственного производства. Технологические языки программирования позволяют проводить опрос входов и инициализацию выходов, обрабатывать арифметические и логические инструкции, управлять таймерами-счетчиками, осуществлять связь с другими ПЛК и компьютером.

Ввод программы в память контроллера осуществляется с помощью специальных программаторов или через интерфейс компьютера. Почти каждый производитель вместе с контроллерами поставляет пакет программ для создания и отладки контроллерного ПО на компьютере. Поставляются также различные симуляторы и специализированные редакторы, в том числе графические. После отладки программ контроллеры могут сохранять их в энергонезависимых ПЗУ, из которых программа перегружается в ОЗУ после включения питания или инициализации контроллера.

Многие современные контроллеры комплектуются программируемыми терминалами для отображения выполняемого процесса, что позволяет организовать удобное место оператора, не используя персональные компьютеры.

Все универсальные микропроцессорные САУ ТП подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте управления.


Контроллер на базе персонального компьютера (PC)

Это направление существенно развилось в последнее время, что объясняется в первую очередь, следующими причинами:

Повышением надежности РС;

Наличием множества модификаций персональных компьютеров в обычном и промышленном исполнении;

Использование открытой архитектуры;

Легкости подключения любых блоков ввода/вывода, модулей УСО, выпускаемых третьими фирмами;

Возможностью использования широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения для операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления. Контроллеры на базе PC, как правило, используют для управления небольшими замкнутыми объектами, а промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит несколько десятков, а набор функций предусматривает сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе PC можно очертить следующими условиями:

Выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта управления (необходима большая вычислительная мощность);

средства автоматизации работают в окружающей среде не слишком отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

Реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, PASCAL;

Практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами. К функциям такой поддержки относятся глубокая диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматического резервирования, в том числе, устранение неисправностей без остановки работы контроллера, модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т.д. На рынке контроллеров, на базе PC в Казахстане успешно работают компании: OCTAGON, ADVANTECH, ANALOG DEVICES и др. Многие казахстанские фирмы закупают компьютерные платы и модули ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры.

Локальные программируемые контроллеры (PLC)

В настоящее время в промышленности используется несколько типов локальных контроллеров:

встраиваемые в оборудование и являющиеся его неотъемлемой частью. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и другим оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования.

автономный, реализующий функции контроля и управления не большим, достаточно изолированным технологическим объектом, как например, районные котельные, электрические подстанции. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме «ТОЧКА-ТОЧКА» с другой аппаратурой и интерфейсы, которые могут через сеть связывать их с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш. Контроллеры данного класса, как правило, имеют небольшую или среднюю вычислительную мощность. Мощность представляет собой комплексную характеристику, зависящую от разрядности и частоты процессора, а также объема оперативной постоянной памяти. Локальные контроллеры чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, но существуют модели контроллеров, поддерживающие свыше сотни входов/выходов. Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования и программно - логического управления. Многие из них имеют один или чаще несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации. В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. Они отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с локализацией их до отдельной платы, резервирование, как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. Наиболее распространены следующие способы резервирования:

• горячий резерв отдельных компонентов и/или контролера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

• троирование основных компонентов и/или контролера в целом с «голосованием» по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, давший иной результат, объявляется неисправным);

• работа по принципу «пара и резерв». Параллельно работает пара контроллеров с «голосованием» результатов, и аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

4.3 Коммутаторы, концентраторы и интеграторы

В современных экономических условиях вследствие финансовых трудностей большинство предприятий не может провести комплексную автоматизацию всего производства или его модернизацию. Приходится выбирать наиболее слабое место в производстве и модернизировать именно его, при этом обеспечивая совместимость с существующими работающими подсистемами АСУ.

На этом этапе приходится решать следующие задачи:

согласование физических интерфейсов и протоколов различных промышленных сетей (Profibus, CANbus, Modbus, LonWork и др.) и локальных сетей с их базовыми протоколами (TCP/IP, IPX/SPX, NetBios и т.д.);

поддержка работы модемов и радиомодемов для обеспечения взаимодействия с удаленными контроллерами и подсистемами;

синхронизация взаимодействия различных подсистем, обеспечение единого времени и адресации параметров системы (при необходимости формирования базы данных системы);

обеспечение взаимодействия со SCADA-системами, СУБД и человеко-машинными интерфейсами верхнего уровня.

Эти задачи решаются с использованием различного рода коммутаторов, концентраторов и интеграторов. Их аппаратное и программное оснащение в зависимости от выполняемых функций может варьироваться в широком диапазоне от недорогого контроллера, выполняющего роль шлюза для нескольких промышленных сетей, до крупного сервера с широким набором функций, объединяющего большое количество неоднородных подсистем.

Коммуникационный сервер (сервер-шлюз, коммутатор). Основные функции серверов этого типа - поддержка различных промышленных и локальных сетей и обеспечение транспорта данных из одной сети в другую (Рисунок 4.1). Как правило, они используются в тех случаях, когда имеются подсистемы с различными промышленными сетями, где нет необходимости вести дополнительную обработку данных, а достаточно только организовать взаимодействие подсистем с помощью прозрачной передачи данных из одной подсистемы в другую.

Рисунок 4.1 - Коммуникационный сервер

Концентратор (сервер данных) включает в себя функции коммуникационного сервера, выполняя при этом такие дополнительные функции, как сбор и первичная обработка данных от группы контроллеров нижнего уровня, а также обеспечивает информационный канал к системам верхнего уровня (архивирование и визуализация данных) (Рисунок 4.2).

Интеграционный сервер обеспечивает интеграцию различных подсистем в единую САУ ТП. Это полнофункциональные серверы, наиболее мощные среди всех типов серверов по аппаратному и программному оснащению. Они включают в себя функции коммуникационного сервера и концентратора. Кроме того, выполняют широкий набор специальных функций, по обработке данных, реализуют комплексные алгоритмы управления, обеспечивают синхронизацию работы подсистем и поддержку единого времени в системе и пр. (Рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 - Концентратор

Рисунок 4.3 - Интеграционный сервер

Вопросы для самопроверки

. Основная функция контроллеров?

. Перечислите основные функциональные элементы контроллеров.

. Что представляет собой контроллеры на базе персонального компьютера?

. Что представляют собой программируемые локальные контроллеры (PLC)?

. Концентратор это?

. Основное назначение коммуникационного сервера?

. Задачи, выполняемые интеграционным сервером?

. Основные способы резервирования?

5. ПРОГРАММНОЕ обеспечение САУ ТП

.1 Классификация программного обеспечения

Программное обеспечение САУ ТП разделяется на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение (СПО) составляют операционные системы реального времени (ОС РВ) контроллеров и рабочих станций (пультов оператора).

В отличие от обычных (офисных) операционных систем операционные системы реального времени обеспечивают гарантированное время доступа к компьютерным ресурсам и реакции системы на незапланированные внешние события и способны поддерживать быстротекущие технологические процессы (порядка милли- и микросекунд). Наиболее широко распространенные ОС РВ - OS9/OS9000, QNX, VxWorks, LinxOS, VRTX, pDOS, pSOS+, RTOS-32. В последнее время расширяется область применения в качестве систем реального времени операционных систем Windows NT с промышленной надстройкой, Windows CE.

Прикладное программное обеспечение (ППО) подразделяется на: ППО контроллеров:

Это непроцедурные технологические языки, позволяющие легко реализовывать логические операции. Конфигуратор и библиотека программных модулей (модули математических функций, первичной обработки информации, регулирования). Особенностями ППО контроллеров являются: простота использования технологических языков. Наличие в библиотеке модулей современных совершенных алгоритмов (алгоритмы самонастройки регуляторов, адаптивного управления, нечеткого регулятора и др.). Некоторые контроллеры могут исполнять программы, написанные на языках высокого уровня (C, Pascal, VB).

ППО пультов операторов.

Включаемые в САУ ТП по желанию заказчика пакеты прикладных программ как общего назначения (статистическая обработка информации, экспертная система поддержки принятия управленческих решений и т.п.), так и объектного (рациональное, а иногда оптимальное управление типовыми процессами).

Разработка прикладного программного обеспечения пультов оператора может осуществляться двумя путями: с использованием традиционных языков программирования (С++, Pascal и др.) или с использованием существующих готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств. Процесс создания ППО с нуля с использованием традиционных языков программирования для сложных распределенных систем управления является недопустимо длительным, требующим огромных затрат труда высококвалифицированных программистов. Такой подход с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (например, отсутствует подходящий драйвер). В настоящее время большое распространение при создании систем автоматизации технологических процессов, получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов, называемых конфигураторами пультов оператора, или SCADA - программами. SCADA - это аббревиатура термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных.

В последнее время эти системы имеют более точное название: MMI/SСАDА, где MMI (Man Machine Interface) определяет наличие человеко-машинного интерфейса. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное программное обеспечение пультов оператора, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станций компьютерных сетей.

До середины 80-х годов фирмы, выпускающие микропроцессорные системы управления, разрабатывали свои собственные, закрытые SCADA - программы, предназначенные только для среды данной системы. Со второй половины 80-х годов ряд зарубежных фирм, а с 90-х годов и многие российские фирмы стали разрабатывать универсальные и открытые SCADA - программы, имеющие совокупность интерфейсов, протоколов, драйверов, которые можно использовать для широкого класса разнообразных микропроцессорных систем. На казахстанском рынке получили распространение несколько десятков SСАDА-программ, среди которых InTouch (Wonderware, США), Factory Link (United States DATA Co., США), Genesis (Iconics, США), iFIX (Intellution, США), Trace Mode (AdAstra, Россия), WIN CC (Siemens, Германия), MasterScada (inSAT, Россия), DigiVis (ABB, Германия).

Основные функции SCADA - программ в части разработки дисплейного пульта (инструментальный комплекс SCADA) и в части работы пульта в реальном масштабе времени (исполнительный комплекс SCADA) следующие:

сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора (в том числе на основе стандартных протоколов DDE, OPC);

первичная (вычислительная и логическая) обработка измерительной информации;

архивирование и хранение текущей информации и дальнейшая ее необходимая обработка;

представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов);

выделение аварийных и предаварийных ситуаций с автоматической генерацией сигналов тревоги;

ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие устройства системы;

регистрация всех действий оператора (ручной запуск процесса, аварийный останов, изменение настроечных параметров системы и т.д.);

регистрация всех ошибок и событий внутри системы управления (аппаратные тревоги, ошибки работы сети и т.д.);

защита от несанкционированного доступа и предоставление различных прав пользователям во время работы с системой;

печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, представление и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через разные сетевые структуры.

Использование SCADA-систем позволяет существенно повысить эффективность производственного процесса за счет:

более точного соблюдения технологических нормативов и регламента, и как следствие, уменьшения процента брака и стабилизации качества продукции;

минимизации рутинных действий диспетчера или оператора, концентрации его внимания на выработке точных и эффективных решений по управлению процессом;

устранения или минимизации ошибок, допускаемых операторами за счет дополнительного программного контроля правильности формирования команд дистанционного управления;

автоматического выявления аварийных и предаварийных ситуаций, гарантированного оповещения о них;

снижения простоев оборудования, вызванных неравномерной загрузкой производственных мощностей;

своевременной генерацией отчетов и предоставления полной необходимой информации руководящему персоналу;

анализа факторов, влияющих на качество готовой продукции.

5.2 Структура программного обеспечения (ПО)

Программное обеспечение САУ ТП является такой же неотъемлемой частью современной системы, как и аппаратное обеспечение. От правильности проектирования и использования ПО зависят все основные показатели качества и надёжности системы автоматики в целом.

Часть программного обеспечения - системное ПО обычно поставляется фирмой и рассчитано на конкретную вычислительную платформу, используемую в конкретной САУ ТП.

Функционально близко к системному программному обеспечению находится специальное программное обеспечение, предназначенное не для автоматического управления, а для оперативного наблюдения за ходом процессов в системе, ведения архивов, отчётов, наглядного представления текущих параметров процессов, организации виртуальных измерительных приборов, дисплеев и т.п. Это - SCADA системы (System Control And Data Aquisition). Эти системы обычно не работают в жёстком реальном времени. Имеется достаточное количество таких готовых систем (например, система Trace Mode или система DigiVis). В целях обеспечения независимости от производителя, а также в целях повышения надёжности и проблемной ориентированности часто такие системы создают специально.

Другая часть программного обеспечения - драйверы устройств должна быть результатом согласования фирм-разработчиков устройств и фирм - разработчиков системного ПО. Чаще всего такое согласование достигается путём следования стандартам разработки драйверов. Однако, к сожалению, часто эта часть программного обеспечения оказывается недостаточно качественной. Во всяком случае, инженер по автоматике - проектировщик всей САУ ТП обязан уделять этому аспекту особое внимание.

Наконец, имеется ещё один тип программного обеспечения, предназначенного для решения либо конкретных вычислительных задач, возникающих в данной САУ ТП, или для управления специальными (нестандартными) устройствами. Это прикладное программное обеспечение вынужден создавать разработчик конкретной САУ ТП. При этом часто приходится использовать язык ассемблера, так как требуется высокое быстродействие и предсказуемость поведения программы. Особенно это справедливо при программировании специализированных контроллеров, непосредственно связанных с объектами управления.

Возможность работы в реальном времени, обеспечение высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов - все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс. Основное требование (помимо надёжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно выделить отличительные качества промышленных вычислительных систем:

максимально возможная адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам;

использование распространенных и проверенных и отработанных промышленных стандартов (как правило, VME), что позволяет обеспечить совместимость большого разнообразия оборудования и унифицировать протоколы взаимодействия с ним;

Рисунок 5.1 - Структура программного обеспечения

использование операционных систем реального времени (ОС РВ), гарантирующих выработку сигналов обратной связи за фиксированный промежуток времени.

Как и всякая другая операционная система, ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычислительной техники в автоматике:

обеспечение бесконфликтного взаимодействия множества параллельных задач (процессов) с аппаратурой;

бесконфликтное разделение общих ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.);

обеспечение безопасной передачи данных между процессами в защищённых адресных пространствах;

обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам, чтобы программисту не надо было писать соответствующие коды;

обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки;

поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров);

создание вычислительной среды повышенной надёжности;

Но именно ОСРВ эти функции выполняет за гарантированное и известное время.

Существуют разные структуры ОСРВ (монолитные, на основе микроядра, объектно-ориентированные), но главное заключается в том, что любая ОС отделяет собой аппаратуру от исполняемых задач, гарантируя стандартные надёжные методы доступа к ней, и обеспечивает взаимодействие между задачами.

Ряд операционных систем (NT 4, Windows 2000, Windows XP), основанных на ядре NT, широко применяются в офисных приложениях и демонстрируют вполне достойную надёжность. Наличие огромного объёма программного обеспечения и армии разработчиков позволяет, в принципе, полагать, что при надлежащей модификации кода операционной системы её можно будет применять и в промышленных приложениях. Было бы желательно иметь одну и ту же ОС на всех уровнях индустриальной иерархии.

5.3 Прикладное программное обеспечение, принципы программирования

Вопрос о прикладном программном обеспечении САУ ТП является чрезвычайно широким, таким же, как и спектр задач, решаемых конкретными системами. Остановимся лишь на некоторых важнейших аспектах классификации этого ПО. С точки зрения инженера, создающего комплекс средств САУ ТП, - прикладное программное обеспечение можно разбить на следующие важнейшие группы:

дополнение к операционной системе (драйверы и т.п.);

программы управления, снятия (получения), передачи данных, обработки данных, планирования и т.п., то есть прикладные вычислительные задачи;

программное обеспечение локальных регуляторов. Эта часть программного обеспечения часто создаётся для специализированных микроконтроллеров и поэтому имеет свои особенности.

Важно также учитывать то обстоятельство, что для создания этих разнородных частей прикладного программного обеспечения используются совершенно разные методы программирования. Наиболее традиционной частью являются прикладные вычислительные задачи. Решать эти задачи стремятся традиционными методами и для этого стараются использовать программирование на языках высокого уровня, не упуская при этом из видимости тот факт, что работа программы должна вестись в реальном времени. Обычно удаётся здесь обойтись программированием на языке С, С++, Pascal, привлекая для этого (по возможности быстродействия) интегрированные среды типа Visual C, Builder или Delphi.

Если это удаётся, то имеется возможность создания мощного современного программного обеспечения, удовлетворяющего всем требованиям к интерфейсам пользователя.

Непреодолимым барьером здесь может оказаться отсутствие требуемых средств разработки ПО для конкретной ОС РВ. В настоящее время для всех популярных ОС РВ имеются, по крайней мере, компиляторы языка С. Это существенно облегчает работу программиста.

При создании программного обеспечения для локальных контроллеров важно придерживаться следующих принципов:

При разработке проекта САУ ТП стараться обеспечить однородность вычислительной платформы, что позволит в дальнейшем упростить программирование. В настоящее время реально это означает, что целесообразно в локальных системах использовать не специализированные микроконтроллеры, а PC-совместимые контроллеры. Это требование, конечно, не является императивным, так как имеется достаточное количество примеров, когда наиболее эффективны именно специализированные контроллеры.

Например, в задачах цифровой обработки сигналов используются специальные DSP-процессоры. Но при этом следует понимать, что обслуживание узкоспециализированного программного обеспечения часто накладно.

При разработке микропрограмм для локальных контроллеров тщательно обосновывать выбор контроллеров, исходя из перспективности той или иной микроконтроллерной платформы. Причём, основным аспектом является не экономический, так как стоимость современных микроконтроллеров стремительно снижается, а системный. Использование устаревающих контроллеров нецелесообразно. Кросс-средства программирования для различных контроллеров существенно отличаются с точки зрения универсальности, стандартизованности и ориентированности на интеграцию в состав более сложных иерархических систем.

Библиотеки программ, созданные для микроконтроллеров, с трудом поддаются повторному использованию и передаче другим пользователям, часто оказывается проще создать программы заново. К сожалению, объектно-ориентированный подход здесь применим далеко не всегда, так как влечёт резкое увеличение объёмов кодов.

Альтернативой традиционному программированию микроконтроллеров, в принципе, является технология Java, предполагающая сетевую загрузку исполняемых программ (апплетов) в контроллеры. Здесь следует отметить, что это не вполне безопасно и не всегда надёжно.

Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) в 1993 г. Утвердила стандарт IEC 61131 часть 3 (IEC 61131-3). Этот международный стандарт входит в группу IEC 61131 стандартов, которые охватывают различные аспекты использования программируемых логических контроллеров (ПЛК - PLC).

Назначение IEC 61131-3 - стандартизация существующих языков ПЛК. Стандарт IEC 61131-3 оказался настолько актуален, что ждать его адаптации не хватило сил: функции поддержки, и внедрение стандарта на рынке взяла на себя независимая организация PLCOpen, состоящая из производителей и пользователей программного обеспечения (ПО), ориентированного на IEC 61131- 3. В результате деятельности PLCOpen на рынке ПО появилась серия сертифицированных средств программирования ПЛК, - средств, которые достаточно широко и небезуспешно внедряются в промышленности. В целом, это воспринимается как очередной прогрессивный шаг в рамках концепции "открытых систем". Стандарт IEC 61131-3 описывает синтаксис и семантику пяти языков программирования ПЛК. Эти языки не являются чем-то совершенно новым, а лишь обобщают то, что широко известно в области автоматизации промышленных объектов:

SFC (Sequential Function Chart) - графический язык, используемый для описания алгоритма в виде набора связанных пар: шаг (step) и переход (transition). Шаг представляет собой набор операций над переменными. Переход - набор логических условных выражений, определяющий передачу управления к следующей паре шаг-переход. По внешнему виду описание на языке SFC напоминает хорошо известные логические блок - схемы алгоритмов. SFC имеет возможность распараллеливания алгоритма. Однако, SFC не имеет средств для описания шагов и переходов, которые могут быть выражены только средствами других языков стандарта (например, условными операторами Pascal - язык ST). Поэтому любая реализация языка SFC - это просто начальное представление логики алгоритма.

LD (Ladder Diagram) - графический язык программирования, являющийся стандартизованным вариантом класса языков релейно-контактных схем. Логические выражения на этом языке описываются в виде реле, которые широко применялись в области автоматизации в 60-х годах, дополненный дискретными устройствами: таймерами, счетчиками и т.п.

FBD (Functional Block Diagram) - графический язык по своей сути похожий на LD. Вместо реле в этом языке используются функциональные блоки, функциональное назначение которых гораздо шире. Сюда входят такие блоки, как ПИД - регулятор, фильтр и т.п. По сути дела, FBD является наиболее естественным способом описания структуры САУ с точки зрения инженера по автоматике. FBD поддерживается многими современными системами проектирования и SCADA-системами.

ST (Structured Text) - текстовый высокоуровневый язык общего назначения, по синтаксису ориентированный на Паскаль. Фактически, это обычное программирование на языке высокого уровня.

IL (Instruction List) - текстовый язык низкого уровня. В дополнение к языку ST - это программирование фактически на Ассемблере. Это необходимо в случае разработки драйверов и критических ко времени программ.

В качестве примера рассмотрим решение на языке LD (реализации языков LD и FBD) задачи управления технологическим участком, схема которого приведена ниже.

Многие задачи управления могут быть описаны, как последовательность событий. Управляющая программа должна проверять порядок выполнения событий. Она не только выполняет обычные операции управления, но и учитывает возможные неисправности и критические ситуации.

Рассмотрим простой пример.

Рисунок 5.2 - Технологическое оборудование - конвейер

Оператор нажал кнопку пуска.

Проверяется наличие заготовки. Если она есть, то процесс продолжается. Если нет - конвейер двигается до появления заготовки.

Заготовка фиксируется зажимом.

Деталь прессуется.

Зажим освобождает деталь, и она выходит из-под пресса.

Процесс продолжается, если выбран автоматический (циклический) режим, иначе останавливается. Вот как выглядит блок-схема последовательности описанных выше операций. Разбиение программы на логические блоки

Рисунок 5.3 - Блок схема программы управления конвейером

Для определенности дальнейшего описания, поставим в соответствие каждому сигналу нашего примера Х-образ дискретного ввода и Y-прообраз дискретного вывода:

Таблица 5.1

СИГНАЛИЗАЦИЯ

УПРАВЛЕНИЕ

Кнопка пуска

Х0

Зажимное устройство

Y0

Датчик наличия детали под прессом

Х1

Пресс

Y1

Концевик фиксации заготовки

Х2

Движение конвейера

Y2

Концевик освобождения детали

Х3


Нижний концевик пресса

Х4


Верхний концевик пресса

Х5


Шаг конвейера

Х6


Переключатель режима

Х7


Кнопка останова

Х8



Решение на языке LD

До появления программируемых логических контроллеров (ПЛК) проблемы управления решались с помощью реле и переключателей, жестко соединенных в релейно-контактные схемы. Более 30 лет назад стали искать способ, позволяющий легко и быстро вносить изменения, в логику управления не меняя монтажа. Так появились ПЛК. Разработчика "новой" технологии были хорошо знакомы с решением задач управления с помощью реле и переключателей, поэтому имело смысл имитировать релейно-контактные схемы в созданном специально для ПЛК языке программирования LD. Вот почему программы на LD похожи на релейно-контактные схемы.

На рисунок 5.4 показан пример части программы на LD, реализующей управление по алгоритму, описанному на предыдущей странице.

Рисунок 5.4 - Пример программы на языке LD

Вертикальная линия слева символизирует шину питания, а положение контактов и состояния обмоток реле определяют происходящие действия, которые в релейно-контактных схемах принято называть блокировками. Здесь хорошо просматриваются отдельные цепи контактов, подающие питание на обмотки реле - ступени. Программа на LD, имитирующая релейно-контактную схему, "просматривает" контакты и обмотки каждой ступени слева направо, а сами ступени сверху вниз. Это нормальный порядок действий в LD. Программа на LD в графическом представлении выглядит как ступени своеобразной лестницы, ведущей вниз. Нетрудно видеть, что "контакты реле" (нормально замкнутые и разомкнутые) фактически означают не только сами контакты, но и некоторые логические условия, при выполнении которых на каждой "ступеньке лестницы" происходит некоторое действие. После этого производится переход к следующей ступени вниз.

Говоря о современных инструментальных средствах, следует сразу же отметить важнейшую тенденцию: наиболее перспективными являются интуитивно-понятные разработчику средства визуального проектирования. В любой предметной области, в том числе и в автоматике, визуальные средства предполагают, что проектировщик (или пользователь) не должен писать практически никакого кода программы ни на одном из языков программирования.

Вместо этого он производит размещение тех или иных наглядных графических образов (обычно пиктограмм) на рабочем поле. Эти образы представляют собой отображение некоторых стандартных блоков, алгоритмов, устройств. Соединяя эти образы в соответствии с требуемой структурой, и задавая свойства отдельных компонент, пользователь быстро получает требуемое представление своей системы.

Инструментальные средства разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения

Практически избежать программирования удаётся за счёт объектно-ориентированного характера такой модели, при котором необходимые коды программ уже инкапсулированы в стандартных блоках. То есть программирование заменяется заданием параметров (обычно числовых) в стандартных алгоритмах. Многочисленные преимущества такого подхода очевидны. Более того, большинство современных, в том числе и профессиональных, программных комплексов в различных областях техники, обработки изображений, звука и т.п. созданы именно в этом виде. Сложнейшие, но стандартные процедуры, при этом легко реализуются.

Возникает возможность использования опыта (программного кода) предыдущих разработчиков без его изучения. Фирмы - производители систем автоматизации предоставляют огромные библиотеки таких функций (классов), и создаётся обманчивое впечатление, что программирование вообще не нужно, что кто-то сторонний всё сделает за специалиста по автоматике. Это мнение старательно поддерживается и фирмами-производителями. Но именно здесь заключается и слабая сторона такого подхода. Реально имеются две негативные стороны использования стандартных библиотек функций (классов):

закрытость исходных кодов (и в смысле недоступности, и в том смысле, что пользователь не заинтересован глубоко разбираться в чужих кодах);

неоптимальность кодов именно для той конкретной ситуации, в которой находится данный разработчик системы автоматики ("универсальное - значит не оптимальное").

Эти два пункта реально приводят к тому, что пользователь - разработчик автоматической системы не может гарантировать надёжность работы всей системы, так как в неё входят закрытые компоненты, и не может гарантировать оптимальности в смысле быстродействия работы критичных к этому параметру частей системы. Таким образом, чисто визуальные методы программирования ограниченно пригодны в случае хорошо известных задач, не критичных, кроме того, к быстродействию и надёжности всей системы.

Не следует думать, что таких задач мало. Типичной из них является создание некоторых SCADA - систем, то есть таких систем, которые в основном предназначены для диспетчерского отображения разнородной информации, в состав которых входит достаточно ненадёжный элемент: человек-оператор. В таких системах, особенно в случае, когда реальное быстродействие объекта управления гораздо выше быстродействия человека-оператора, последнему отводится лишь роль более или менее пассивного наблюдателя, принимающего лишь стратегические решения. И практика показывает, что для подобных систем применение визуальных средств и объектно-ориентированных подходов в программировании эффективно. В качестве примера можно привести систему DigiVis или WIN CC. Наряду со специализированными визуальными средствами программирования, широко распространено и применение таких визуальных сред, как Delphi или Builder от фирмы Borland, Visual C++ от Microsoft и т.п. Множество подобных средств стремительно растёт, привлекая всё новые и новые подходы в программировании, исчерпывающий их обзор на сегодняшний день практически невозможен.

Чтобы добиться абсолютно предсказуемого поведения программного обеспечения с учётом работы в реальном времени разработчик автоматических систем всё же вынужден в ряде случаев создавать собственное программное обеспечение. Наиболее целесообразный подход здесь следующий:

по мере возможности пользоваться языками высокого уровня, позволяющими быстро создавать и отлаживать программное обеспечение;

и лишь в явных случаях нехватки быстродействия или надёжности использовать программирование на Ассемблере.

Именно такой подход позволяет инженеру в области автоматики решить сразу две задачи:

обеспечить реальную возможность передачи исходных кодов программ другим разработчикам, в том числе, и при смене вычислительной платформы;

добиться существенной экономии времени разработки программного обеспечения. Известно, что наиболее "расточительно" в этом смысле программирование на языке низкого уровня - Ассемблере.

От правильного выбора программного продукта, удовлетворяющего требованиям сопровождения, часто зависит судьба всей системы автоматики и эффективности вложения средств.

5.4 Технология ОРС

На современных производственных предприятиях, наряду с увеличением степени автоматизации технологических процессов, увеличивается количество электронных систем обработки данных верхнего уровня иерархии.

В системах управления технологическими процессами сегодня широко применяются многочисленные программные решения (например, SCADA) самых разных производителей, причем работа этих программных систем базируется на постоянном обмене данными с компонентами системы автоматизации (контроллерами, модулями УСО и т.д.). Возможность такого взаимодействия обеспечивается производителями этих программных решений путем самостоятельной разработки ими драйверов, которые интегрируются в вышеназванные программные пакеты. Такой подход, как правило, ведет к следующим проблемам:

Увеличение затрат: должны разрабатываться отдельные драйверы для каждого поддерживаемого устройства.

Ограниченная функциональность драйверов: разработчиком драйверов поддерживаются не все функции соответствующего устройства.

Ограниченные возможности расширения и изменения состава компонент системы автоматизации: вследствие модернизации аппаратной платформы драйвер либо вообще не может больше использоваться, либо может работать нестабильно.

Конфликты доступа: различные программы не могут одновременно осуществлять доступ к одним и тем же компонентам системы автоматизации, т.к. обращение к данным осуществляется через собственные драйверы, работа одного из которых в каждый момент времени блокирует возможность работы всех остальных.

Решить эти проблемы могут производители аппаратных компонентов, разработав собственные драйверы, снабдив их специальными стандартизованными интерфейсами, чтобы программы различных производителей программного обеспечения могли их без проблем использовать. Большое количество программ в области промышленной обработки данных реализуются в настоящее время на базе персональных компьютеров под управлением операционных системам семейства Windows (Windows 95/98/NT/2000/XP) фирмы Microsoft. Для решения коммуникационных проблем фирмой Microsoft была предложена технология ОРС, ставшая в настоящее время промышленным стандартом.(OLE for Process Control) - это стандарт взаимодействия между программными компонентами системы сбора данных и управления (SCADA), основанный на объектной модели COM/DCOM. Технология ОРС предназначена для обеспечения:

универсального механизма обмена данными между датчиками, исполнительными механизмами, контроллерами, устройствами связи с объектом и системами представления технологической информации;

оперативного диспетчерского управления;

архивации данных системами управления базами данных.

Через интерфейсы ОРС одни приложения могут читать или записывать данные в другие приложения, обмениваться событиями, оповещать друг друга о нештатных ситуациях (тревогах), осуществлять доступ к данным, зарегистрированных в архивах («исторические» данные). Эти приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и быть распределенными по сети. При этом независимо от фирмы-поставщика стандарт ОРС, признанный и поддержанный всеми ведущими фирмами- производителями SCADA-систем и оборудования, обеспечит их совместное функционирование. Особый класс ОРС - приложений представляют собой ОРС - серверы конкретных аппаратных устройств - они поставляются многими производителями аппаратных средств. ОРС-сервер создает своего рода абстракцию аппаратуры, позволяя любому ОРС - клиенту записывать и считывать данные с устройства. Устройство, для которого есть ОРС - сервер, может использоваться вместе с любой современной SCADA-системой. Теперь разработчиков программного обеспечения отпадает необходимость написания новых драйверов, если вследствие модернизации некоторой аппаратной компоненты изменяется набор функций доступа к ее данным.

Вопросы для самопроверки

На какие виды разделяются программное обеспечение?

Системное программное обеспечение - это?

Прикладное программное обеспечение - это?

Прикладное программное обеспечение разделяется на…?- программа это?

Основные функции SCADA?

Перечислите преимущества от внедрения SCADA - программ.

Нарисуйте и опишите структуру программного обеспечения.

Назначение стандарта IEC 61131 - 3?

Что представляет собой технология OPC?

6. Нормативная база САУ ТП

.1 Международная стандартизация

Основными международными организациями, осуществляющими деятельность в области международной стандартизации, являются ISO (ИСО) и МЭК.

Международная организация по стандартизации ISO

Создана в 1946 г., аббревиатура использована от греческого isos - равный, которая звучит одинаково на всех языках. ИСО занимается стандартизацией во всех областях, кроме электротехники и электроники. В ИСО входят 120 стран, Казахстан представляет Казстандарт в качестве комитета - члена ИСО. Состоит организация из руководящих и рабочих органов.

Задачи ISO - содействовать развитию стандартизации и смежных видов деятельности с целью обеспечения международного обмена товарами и услугами, а также развитию сотрудничества в интеллектуальной, научно-технической и экономической областях.

Основные объекты стандартизации: машиностроение, химия, руды и металлы, информационная техника, строительство, медицина и здравоохранение, окружающая среда, системы обеспечения качества.

Результатом работы ИСО является разработка и издание международных стандартов, которую ведут технические комитеты и рабочие группы по видам деятельности. Существует более 10 тысяч стандартов ИСО, ежегодно принимается 500-600 стандартов. Они не имеют статуса обязательных документов. В Казахстане применяются более половины стандартов ИСО.

Международная электротехническая комиссия (МЭК)

Создана в 1906 г. и ее основная цель - содействие международному сотрудничеству по стандартизации в области электротехники, электроники, радиосвязи, приборостроения путем разработки международных стандартов и других документов.

Членами МЭК являются 40 национальных комитетов, представляющих 80% населения Земли. Официальные языки МЭК - английский, французский и русский.

Стандарты МЭК можно разделить на два вида стандартов: общетехнические (терминология, стандартные напряжения и частоты, виды испытаний и т.п.) и технические требования к конкретной продукции (этот вид стандартов охватывает диапазон от бытовых электроприборов до спутников).

Принято более 2 тыс. стандартов МЭК, они более конкретны, чем стандарты ИСО, и более пригодны для прямого применения. Большое значение МЭК придает разработке стандартов на безопасность - главной целью стандартизации в области безопасности является поиск защиты от различных видов опасности. В сферу деятельности МЭК входят: травматическая опасность, опасность поражения током, взрывоопасность, опасность излучений оборудования, в т.ч. и от ионизирующих излучений, биологическая опасность и др.

Кроме ИСО и МЭК в международной стандартизации участвуют, в меньшем объеме, и другие международные организации. Такие, как Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК ООН), Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и др.

К региональным организациям по стандартизации относятся Европейский комитет по стандартам (СЕН), Межскандинавская организация по стандартизации (ИНСТА), Панамериканский комитет стандартов (КОПАНТ) и др.

В СНГ для работы в по стандартизации, метрологии и сертификации создан в 1992г. Межгосударственный совет стран - участниц СНГ (МГС), в котором представлены все национальные организации по стандартизации этих государств. МГС принимает межгосударственные стандарты. В 1995г. совет ИСО признал МГС региональной организацией по стандартизации в странах СНГ. Решение общей проблемы стандартизации в области САУ ТП вызвали наиболее активную деятельность различных фирм. Эта задача решается различными международными комитетами, которые можно представить в следующем виде:

МЭК - Международная Электротехническая Комиссия (International Electrotechnical Commission - IEC) несёт ответственность за стандартизацию в области электроники, включая вопросы взаимосвязи и интерфейсов оборудования определенных видов. Стандарты МЭК издают под названием публикации.

ТК-45 - ядерное приборостроение - разработка стандарта по модульной системе обработки данных САМАС;

ТК-47 - полупроводниковые устройства,

ТК-47А - интегральные схемы,

ТК 47В - микропроцессорные системы и системная шина 8, 16, 32 битно данных;

ТК-65 - измерения и управления в производственных процессах;

ТК-57 - телеуправление и соответствующие электросвязи в энергетических системах;

ТК-86 (ТК-46) - волоконная оптика;

ТК-86 - оборудование информационных технологий по стандартизации лекальных вычислительных сетей.

Рисунок 6.1 - Структура международных организаций

МОС - Международная Организация по Стандартизации (International Organization for Standardization - ISO) - всемирная организация, ответственная за разработку международных стандартов путем координации деятельности национальных органов стандартизации из более 90 стран мира.

Стандарты МОС разрабатываются в несколько этапов:

Исходный документ представляется в виде рабочего проекта (Working Draft);

На основе этого документа создается проект предложения - ПП (Draft Proposal) и, как правило, ПП проходит несколько стадий обсуждения;

Принимает статус проекта международного стандарта ПМС (Draft International Standards - DIS);

После обсуждения и голосования ППС представляется в Центральный секретариат МОС для утверждения в качестве международного стандарта (МС).

МОС имеет ряд технических подкомитетов. Например, подкомитет взаимосвязи оборудования производства.

МКК-ТТ - Международный Консультативный Комитет по Телеграфии и Телефонизации имеет 16 исследовательских комиссий.

Сети передачи данных (стандартизации взаимодействия между различными сетями) Издает рекомендации каждые четыре года.- передача данных по телефонным каналам;- передача данных по сетям данных;- цифровые сети интегрального обслуживания.

СДОП - сети данных общего пользования;

с коммутацией каналов;

с коммутацией пакетов;

коммутация телефонными сетями общего пользования (ТФОП);. Сетями сигнализации по общему каналу CCSN

.1) сети децентрализованной сигнализации;

.2) мобильными сетями;

.3) сетями частных пользователей.

Международно-групповые объединения - Европейская организация изготовителей вычислительных машин (European Manufactures Association), - комитет координирует стандартизацию моделей ЭВМ (программирование, коды, структуру интерфейсов сетей передачи данных и др.)

МПК по ВТ - межправительственная комиссия по вычислительной технике стран-членов СЭВ.

Профессиональные и национальные организации- Европейский комитет по стандартизации ядерных электронных устройств (European Standard Committed of Nuclear Electronics). Заменяет стандартизации САМАС, Fast bus и малых MCC (YME-bus) и др.- институт инженеров по электронике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Enounces) - инженеров США.Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association) - вклад в разработку стандартизации систем передачи данных.- Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute) - стандарты интерфейса FDDI - для волоконно-оптической распределенной сети передачи данных.

Из фирм IBM - по протоколам управление звеном данных BSC и SDLC и концепции сетевой архитектуры систем SNA, которые стали фактическими стандартами для промышленных средств передачи обработки данных и послужили основой многих международных стандартов МОС.

В России - Госстандарт и отраслевые организации ведомств, АН РФ

В Казахстане - Казстандарт

6.2 Состав и содержание работ по созданию САУ ТП

Стандарты предприятия по управлению промышленной безопасностью

Первостепенное значение имеют требования ПБ 09-540-03 по созданию на взрывоопасных производствах системы управления промышленной безопасностью. Согласно Пункту 1.4. ПБ: «В целях организации работы по предупреждению аварий и производственного травматизма, организации, имеющие в своем составе взрывопожароопасные объекты, разрабатывают систему стандартов предприятия по управлению промышленной безопасностью, и обеспечивают их эффективное функционирование и актуализацию».

Более того, согласно Пункту 1.5 ПБ: «Организации, осуществляющие проектную деятельность, а также деятельность по монтажу, ремонту оборудования и сооружений, обучению персонала, разрабатывают и обеспечивают эффективное функционирование и актуализацию Системы стандартов предприятия по обеспечению качества Системы качества организации должны предусматривать наличие стандартов по обеспечению безопасности ведения работ».

Таким образом, промышленное предприятие не только само должно обеспечить требование Правил, но и вправе потребовать от организаций, участвующих в создании, проектировании, обучении, реконструкции, модернизации взрывоопасных технологических объектов соответствия Стандартам предприятия по обеспечению промышленной безопасности, и по созданию безопасных систем управления и защиты.

Прежде всего, промышленное предприятие должно иметь собственную концепцию создания и развития безопасных средств автоматизации. Эта концепция должна быть оформлена в виде комплекса стандартов предприятия (СТП) в приложении к системам управления и защиты взрывоопасных технологических процессов. Ядро этого комплекса стандартов составляют четыре документа, представленные в четырёх главах:

«Состав и содержание работ по созданию САУ ТП»

«Состав и содержание документации проекта САУ ТП»

«Техническое задание на создание САУ ТП»

«Программа и методика испытаний»

Объединяющая роль этого комплекса должна быть отведена Стандарту предприятия на «проектирование, разработку, внедрение, эксплуатацию и сопровождение САУ ТП», определяющему общие организационно - технические мероприятия по созданию т эксплуатации автоматизированных систем управления и защиты технологических процессов.

Согласно ГОСТ 34.601-90 «Автоматизированные Системы. Стадии создания», процесс создания САУ ТП представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания Системы, соответствующим заданным требованиям.

Стадии и этапы создания САУ ТП, выделяются как части процесса создания по соображениям рационального планирования и организации работ, заканчивающихся заданным результатом. ГОСТ 34.601-90 рекомендует нижеследующую последовательность стадий и этапов работ по созданию САУ ТП.

Рисунок 6.2 - Порядок выполнения проекта

технологический процесс автоматизация контролер

Стадия «Формирование требований к САУ ТП» включает в себя выполнение следующих этапов:

Обследование объекта и обоснование необходимости создания САУ ТП;

Формирование требований заказчика к САУ ТП;

Оформление отчета о выполненной работе, и Заявки на разработку САУ ТП.

На этапе «Обследование объекта и обоснование необходимости создания САУ ТП» в общем случае проводится:

Сбор данных об объекте автоматизации;

Оценка качества функционирования объекта автоматизации;

Выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации;

Оценка технико-экономической целесообразности создания САУ ТП.

На этапе «Формирование требований Заказчика к САУ ТП» проводится:

Подготовка исходных данных для формирования требований к САУ ТП (характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, допустимые затраты на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирование системы);

Формулирование и оформление требований Заказчика к САУ ТП.

На этапе «Оформление Отчета о выполненной работе, и Заявки на разработку САУ ТП» производится:

Оформление Отчета о выполненных работах на данной стадии;

Оформление Заявки на разработку САУ ТП (тактико-технические задания) или другого заменяющего его документа с аналогичны содержанием.

Стадия «Разработка концепции САУ ТП» заключается в выполнении следующих этапов:

Изучение объектов автоматизации;

Проведение необходимых научно-исследовательских работ;

Разработка вариантов концепции САУ ТП и выбор варианта концепции САУ ТП в соответствии с требованиями Заказчика

По завершению стадии оформляется отчет.

На этапе «Изучение объекта автоматизации» и на этапе «Проведение необходимых научно - исследовательских работ» организация - разработчик проводит:

Детальное изучение объекта автоматизации и необходимые научно - исследовательские работы, связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований Заказчика;

Оформление и утверждение отчетов.

На этапе «Разработка вариантов концепции САУ ТП и выбор варианта концепции САУ ТП в соответствии с требованиями Заказчика» в общем случае проводится:

Разработка альтернативных вариантов концепции САУ ТП и планов их реализации;

Оценка необходимых ресурсов на их реализацию и функционирование;

Оценка преимуществ и недостатков каждого варианта;

Сопоставление требований Заказчика и характеристик предлагаемой системы, и выбор наилучшего варианта;

Определение порядка оценки качества и условий приемки системы;

Оценка эффектов, полученных от системы.

Стадия «Техническое задание» заключается в единственном, но чрезвычайно ответственном этапе:

Разработка и утверждение Технического задания на создание САУ ТП.

На этапе «Разработка и утверждение Технического задания на создание САУ ТП» проводится:

Разработка, оформление, согласование и утверждение Технического задания на создание САУ ТП, а при необходимости нескольких технических заданий на части САУ ТП.

Стадия «Эскизный проект» состоит из следующих этапов:

Разработка предварительных проектных решений по Системе и её частям;

Разработка документации на САУ ТП и её части.

На этапе «Разработка предварительных проектных решений по Системе и её частям» определяются:

Функции САУ ТП;

Функции и цели подсистем;

Состав программных комплексов и отдельных задач;

Концепция информационной базы, её укрупнённая структура;

Функции систем управления;

Состав комплекса технических средств;

Функции и параметры основных программных средств и ресурсов САУ ТП.

На этапе «Разработка документации САУ ТП и её части» проводится:

Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности принятых проектных решений, и достаточном для выполнения работ по созданию САУ ТП.

Стадия «Технических проект» состоит из следующих этапов:

Разработка проектных решений по Системе и её частям;

Разработка документации на САУ ТП и её части;

Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования САУ ТП и технических требований (технических заданий) на их разработку;

Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта.

На этапе «Разработка проектных решений по Системе и ее частям» производится разработка общих решений:

По Системе и её частям;

По функционально - алгоритмической структуре Системы;

По функциям персонала и организационной структуре;

По структуре технических средств;

По алгоритмам решения задач и применяемым языкам;

По организации и ведению информационной базы;

По Системе классификации и кодирования информации;

По программному обеспечению;

На этапе «Разработка документации на САУ ТП и её части» проводится:

Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описание полной совокупности принятых проектных решений и достаточном для дальнейшего выполнения работ по созданию САУ ТП;

На этапе «Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования САУ ТП и технических требований (технических заданий) на их разработку» проводится:

Подготовка и оформление документации на поставку изделий для комплектования САУ ТП;

Определение технических требований или составление ТЗ на разработку несерийных изделий.

На этапе «Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта» осуществляется:

Разработка, оформление, согласование и утверждение заданий на проектирование в смежных частях проекта для проведения строительных, электротехнических, санитарно - технических и других подготовительных работ, связанных с созданием САУ ТП.

Стадия «Рабочий проект (Рабочая документация)» включает в себя следующие этапы:

Разработка рабочей документации на САУ ТП и её части;

Разработка и конфигурация программного обеспечения.

На этапе «Разработка рабочей документации на САУ ТП и её части» осуществляется:

Разработка рабочей документации, содержащие все необходимые и достаточные сведения для обеспечения выполнения работ по вводу САУ ТП в действие и для её эксплуатации, а также для сохранения уровня эксплутационных характеристик системы в соответствии с принятыми проектными решениями;

Оформление, согласование и утверждение рабочей документации на САУ ТП.

На этапе «Разработка и конфигурация программного обеспечения» проводится:

Разработка прикладного программного обеспечения;

Выбор, адаптация и привязка программных средств, разработка программной документации.

Стадия «Ввод в действие» состоит из следующих этапов:

Подготовка объекта автоматизации к вводу САУ ТП в действие;

Комплектация САУ ТП поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно - техническими комплексами, информационными изделиями);

Строительно-монтажные работы;

Пусконаладочные работы;

Проведение Предварительных испытаний;

Проведение Опытной эксплуатации;

Проведение Приемочных испытаний.

На этапе «Подготовка объекта автоматизации к вводу САУ ТП в действие» проводятся работы по организационной подготовке объекта автоматизации к вводу САУ ТП в действие, в том числе:

Реализация проектных решений по организационной структуре САУ ТП;

Обеспечение подразделений объекта управления инструктивно - методическими материалами.

На этапе «Подготовка персонала» проводится:

Обучение персонала;

Проверка его способности обеспечить функционирование САУ ТП.

На этапе «Комплектация САУ ТП поставляемыми изделиями» обеспечивается:

Получение комплектующих изделий серийного и единичного производства, материалов и монтажных изделий;

Проводится входной контроль их качества.

На этапе «Строительно-монтажные работы» проводится:

Выполнение работ по строительству специализированных зданий (помещений), для размещения технических средств и персонала САУ ТП;

Сооружение кабельных каналов;

Выполнение работ по монтажу технических средств и линий связи;

Испытания смонтированных технических средств;

Сдача технических средств для проведения пусконаладочных работ.

На этапе «Пусконаладочные работы» проводится:

Автономная наладка технических средств;

Загрузка системного и прикладного программного обеспечения;

Комплексная наладка всех средств системы.

На этапе «Проведение Предварительных испытаний» осуществляется:

Испытание САУ ТП на работоспособность и соответствие Техническому заданию и в соответствии с Программой предварительных испытаний;

Устранение неисправностей и внесение изменений в документацию на САУ ТП в соответствии с протоколом испытаний;

Оформление акта о приёмке САУ ТП в Опытную эксплуатацию.

На этапе «Проведение Опытной эксплуатации» проводят;

Опытную эксплуатацию САУ ТП;

Доработка (при необходимости) программного обеспечения САУ ТП;

Дополнительная наладка технических средств САУ ТП;

Доработка проектной документации;

Оформления акта о завершении Опытной эксплуатации.

На этапе «Проведение Приемочных испытаний» проводятся:

Испытания на соответствие Техническому заданию и в соответствии с Программой приёмочных испытаний;

Анализ результатов испытаний САУ ТП и устранение недостатков, выявленных при испытаниях;

Оформление Протокола и Отчета по каждому объекту испытания, определенному программой испытаний;

Оформление Акта о приёмке САУ ТП в Постоянную (промышленную) эксплуатацию.

Стадия «Сопровождения САУ ТП» включает в себя:

Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами;

Послегарантийное обслуживание.

На этапе «Выполнение работ соответствии с гарантийными обязательствами» осуществляется:

Работы по устранению недостатков, выявленных при эксплуатации САУ ТП в течении установленных гарантийных сроков;

Внесение необходимых изменений в документацию на САУ ТП.

На этапе «Послегарантийное обслуживание» осуществляется:

Анализ функционирования системы;

Выявление отклонений фактических эксплутационных характеристик САУ ТП от проектных значений;

Установка причин этих отклонений;

Устранение выявленных недостатков и обеспечение стабильности эксплутационных характеристик САУ ТП;

Внесение необходимых изменений в документацию на САУ ТП.

Вопросы для самопроверки

Основные международные организации, осуществляющие деятельность в области международной стандартизации?- это?

Задачи ISO?

Направление деятельности МЭК?

Нарисуйте структуру международной организации.

Что представляет собой процесс создания САУ согласно ГОСТУ 34.601 - 90?

Приведите порядок выполнения проекта.

Перечислите предпроектные стадии.

Перечислите стадии проекта.

Перечислите стадии ввода в действие САУ.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Схема оценки знаний студентов

Виды контроля

Количество баллов



Минимум

Максимум

1

Текущий контроль (ТК) Лекции Лабораторные занятия СРС: Реферат

0.5х15=7.5 1х15=15 2.5

1х15=15  2х15=30 5


Итого ТК

25

50

2

Промежуточный контроль 1 модуль 2 модуль

5 5

10 10


Всего 1 и 2

35

70

3

Итоговый контроль экзамен

15

30


Итого за предмет

60

100


Примерная схема оценки студентов на экзамене


Экзаменационная оценка

Оценка в баллах (в %)

1

Неудовлетворительно

0 - 23 (0 - 49)

2

Удовлетворительно

24 - 29 (50 - 74)

3

Хорошо

30 - 34 (75 - 89)

4

Отлично

35 - 40 (90 - 100)


Шкала оценки знаний студентов

Оценка по бальной системе

Цифровой эквивалент баллов

Процентное содержание баллов

Оценка по традиционной системе

А

4.0

95-100

отлично

А-

3.7

90-94


В+

3.3

85-89

хорошо

В

3.0

80-84


В-

2.7

75-79


С+

2.3

70-74

удовлетворительно

С

2.0

65-69


С-

1.7

60-64


D+

1.3

55-59


D

1.0

50-54


Используемая литература

1. Е.Б. Андреев, В.Е. Попадько. Программные средства систем управления технологическими процессами в нефтегазовой отрасли. Часть 1: Учебное пособие. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005г. - 270 с.

. Е.Б. Андреев, В.Е. Попадько Технические средства систем управления технологическими процессами в нефтегазовой отрасли. Часть 2: Учебное пособие. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005г. - 270 с.

. Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учебник для сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2005г. - 288 с.

. Коммуникация в технике автоматизации / Ханс-Петер Бойерле и Гюнтер Бах-Беценар. - Берлин; Мюнхен: АО Siemens, [отд. изд.], 1991г. - 154 с.

. SIMATIC Комплексная Автоматизация Производства Каталог ST 70, 2003

. SIMATIC Комплексная Автоматизация Производства Каталог ST 80, PCS7 2003 - 2004.

. ABBEngineer IT Control Builder F Инструкции по инжинирингу Процессовая станция AC 800F.

. Межгосударственный стандарт Единая система стандартов автоматизированных систем управления ГОСТ 24.104 - 85.

. Андрей Кузнецов, компания “ПроСофт”, «SCADA - мифы и реальность», 2006 г.

. Обучающие курсы SIEMENS, Контролеры компании SIEMENS, PRO1_01R

. Система управления процессами PCS 7, Руководство по проектированию, 2003. - 450 c.

. Б.С. Гаспер, И.Н. Липатов. ИВС и АСУТП Учебное пособие. - Пермь.: ПГТУ, 1999г. - 123 с.

. Программа дисциплины для студентов (Силлабус) «Системы автоматизации и управления технологическими процессами». Автор: ст. преподаватель кафедры эксплуатации электрооборудования Волошин И.Н.

. Елизаров И.А., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Фролов С.В: Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: Учебное пособие. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004. 180 с.

. Пономарев, О.П. Наладка и эксплуатация средств автоматизации. SCADA- системы. Промышленные шины и интерфейсы. Общие сведения о программируемых логических контроллерах и одноплатных компьютерах: Учебное пособие / О.П. Пономарев; Ин-т «КВШУ».- Калининград: Изд-во Ин-та «КВШУ», 2006.- 80 с.

Похожие работы на - Системы автоматизации и управления технологическими процессами

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!