В начало

Структура и технические средства АСУ ТП (Тема)

 

Типовая структура современной АСУ ТП (рис. 1.) включает четыре уровня.

На уровне 0 аналоговый интерфейс 4-20 мА (0-5 мА) заменяется коммуникационной технологией, объединяющей датчики, исполнительные механизмы и контроллеры в единую цифровую сеть – Fieldbus (полевая ши­на или промышленная сеть). Это позволяет большое количество 2-, 3-, 4-проводных линий связи, идущих от множества датчиков и исполнитель­ных механизмов  к каналам ввода-вывода контроллеров, заменить на один «малопроводной» кабель.

 

 

Рис. 1. Структура современной АСУ ТП

 

К приборам уровня 0 по этому кабелю передает­ся также электропитание. Все это дает серьезный ценовой выигрыш. Кро­ме того, каждое устройство уровня 0 оснащается самостоятельным вычис­лительным ресурсом и может выполнять функции управления, самона­стройки и самодиагностики, что упрощает обслуживание контрольно-измерительных приборов (КИП) и снижает нагрузку на управляющие вы­числительные устройства верхних уровней, делает систему более распре­деленной. В настоящее время отсутствует единый международный стан­дарт для сетей Fieldbus. Наиболее популярными являются два протокола обмена: в Европе – протокол, разработанный фирмой Siemens – Profibus в различных его модификациях, в США – Foundation  Fieldbus. В качестве протокола для сетей на основе простого последовательного порта обще­признан Modbus, разработанный американской фирмой MODICON.

На уровне 1 находятся устройства связи с объектом, которые прини­мают, выдают на объект группу аналоговых и дискретных сигналов, а так­же имеют связь через различные адаптеры с Fieldbus, котроллерами и ком­пьютерами. Устройства уровня 1 являются безынициативными, работают под управлением контроллеров или компьютеров и располагаются вблизи с объектом управления. Использование этих УСО снижает затраты на монтаж и кабельную продукцию.

На уровне 2 находятся контроллеры РLС (Рrоgrammable Logic Controllers) и SoftPLC. Контроллеры типа SoftPLC (свободно программи­руемые контроллеры) имеют IВМ РС совместимую архитектуру. Про­грамма в виде ЕХЕ-файла загружается в SoftPLC  компьютера. Для про­граммирования PLC и SoftPLC Международный электротехнический ко­митет (МЭК) принял стандарт IEС 1131-3, который описывает пять языков программирования – графических: релейных диаграмм (Ladder Diagrams – LD), функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram – FBD), последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart – SPC­); текстовых: список инструкций (Instruction List – IL), структурированный текст (Structured Text – ST). Связь между контроллерами и станциями управления верхнего уровня осуществляется по сети Ethernet, выполнен­ной в промышленном варианте (Industrial Ethernet).

На рынке промышленной автоматизации все большим спросом поль­зуются встраиваемые в персональные компьютеры модули, позволяющие непосредственно к компьютеру подключать датчики и исполнительные механизмы. Это направление получило название «автоматизация» на базе промышленных компьютеров РС-based Control. Индустриальные ком­пьютеры представляют собой, как правило, программно совместимые с обычными РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуата­ции на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные сис­темы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения. Для объектов управления, имеющих небольшое число входов-выходов, не­высокие требования по надежности и по обеспечению режима реального времени, подход РС-based Control с экономической точки зрения предпочти­телен, так как уменьшаются затраты на аппаратные средства.

На уровне 3 располагаются станции в виде IBM РС совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип беcщитовой автоматики. Доминирующей операционной системой для АСУ ТП верхнего уров­ня является Windows NT. Стандартным механизмом взаимодействия про­граммного обеспечения АСУ ТП признан стандарт ОРС (OLE for Process Control), который основан на объектной модели СОМ/DСОМ фирмы Microsoft.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интегра­ция и унификация технических решений. Фирмы-разработчики сосредота­чивают свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, заимст­вуя лучшие мировые достижения в остальных областях, становясь тем са­мым системными интеграторами. Основное требование современных сис­тем управления – это открытость системы. Система считается открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и про­цедурный интерфейс, что позволяет подключить
к ней «внешние» незави­симо разработанные компоненты. Архитектура IBМ РС занимает ведущее место в области автоматизации.

Наметившийся в последнее время подъем отечественной промыш­ленности дает шанс оснащать российские предприятия самыми современ­ными компьютерными индустриальными технологиями, перешагнув эта­пы, которые проходило и на которых остановилось большинство западных предприятий.

Вне зависимости от характеристик объекта управления, будь то отдельные агрега­ты или многопрофильные производства, структура комплекса технических средств системы управ­ления предполагает наличие: первичных средств автоматизации (интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств – так называемый нулевой или полевой уровень системы); устройств первого уровня (преобразователей аналоговых и дискретных сигналов ввода-вывода); устройств второго уровня (контроллеров и промышленных компьютеров); устройств третьего уровня АСУ ТП (рабочие станции, серверы и др.) и устройств четвертого уровня системы управления (локальные вычислительные сети с персональными компьютерами).

Полевой уровень АСУ ТП включает в себя первичные преобразователи или датчики сигналов измерительной информации, исполнительные устройства различных типов и назначений. На отечественных предприятиях большинство датчиков и исполнительных устройств для передачи и приема данных используют аналоговые или дискретные унифицированные сигналы. Однако они постепенно вытесняются интеллектуальными устройствами, в которых, наряду с основными функциями, осуществляется преобразование сигналов из аналоговой (дискретной, импульсной) в цифровую форму и для исполнительных устройств обратное преобразование. Для передачи измерительной и командной информации на этом уровне ис­пользуются HART-протокол (токовая петля 4...20 мА), AS-интерфейс, RS-232, RS-485. Многие интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы для передачи и приема информации в цифровом виде используют полевую шину (fieldbus), представляющую, как правило, двухпроводную линию связи (витая пара, оптоволокно) с одновременной передачей по шине питания и информационного сигнала. К чис­лу таких промышленных сетей, объединяющих датчики, исполнительные механиз­мы, контроллеры и рабочие станции, относятся Foundation Fieldbus, Profibus DP и Interbus (по стандарту RS-485), DeviceNet (физическая среда 4-проводный кабель), Profibus PA и др. На верхнем уровне используются сети Ethernet, ArcNet, Token Ring и др.

В тех случаях, когда на полевом уровне используются датчики и исполнительные механизмы с аналоговым входом или выходом, для их сопряжения с контроллерным или диспетчерским уровнем используются устройства связи с объектом (УСО) – устройства первого уровня АСУ ТП. УСО осуществляют преобразование сигналов, их первичную обработку и выдачу управляющих воздействий на исполнительные устройства. Каждый модуль УСО представляет собой функционально законченное устройство, имеющее унифицированную конструкцию, интерфейс и питание. В тех случаях, когда промышленные контроллеры включают в себя модули УСО, в АСУ ТП первый уровень управления не выделяется.

На втором уровне АСУ ТП располагаются программируемые логические контроллеры (ПЛК). Выбор типа контроллера для системы управления, с помощью критерия цена/произво-дительность, определяется их особенностями. Это могут быть моноблоч­ные, модульные или встраиваемые контроллеры. Среди основных характеристик – производительность, максимальное число каналов ввода-вывода переменных, ком­муникационные возможности (наличие требуемых пользователю портов), надеж­ность, удобство интерфейса, цена, область распространения и др. При оценке кон­троллеров немаловажное значение имеют отдельные его компоненты. Прежде всего в процессорном модуле оцениваются характеристики процессора, объем памяти, поддержка ОС, стандарт шины расширения, наличие сторожевого таймера, портов, поддерж­ка определенных сетей, гальваническая изоляция, индикация состояния, рабочая температура, напряжение питания и др.

Иногда на втором уровне управления могут использоваться промышленные компьютеры (ПК). Они позволяют сосре­доточить функции управления и визуализации в одном месте, используя встраива­емые системы – платы УСО, памяти, коммуникационные модули и т.д. Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech, Axiom, Portwell и др.), удовлетворяют самым жестким условиям эксплуатации: со степенью защиты лицевой панели IP65, диапазон рабочих температур от 0 до 50 °С. Стандартные операционные системы (ОС) позволяют использовать инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения (ПО) раз­личных фирм. Наличие коммуникационных портов ввода-вывода, механизма взаи­модействия ОРС позволяет ПК взаимодействовать с любым оборудованием – от ПЛК до любых рабочих станций.

В то же время программируемые логические контроллеры по сетевым возможно­стям приближаются к ПК, их память Flash memory обладает достаточной емкостью для размещения небольших SCADA-систем. Примером может служить SCADA-система Trace Mode, размещенная в виде SoftPLC в памяти контроллеров «Лагуна», Ломиконт, Теконик и АДЭМ. ПЛК обладают повышенной надежностью, высоким быстродействием (0,9 мкс и менее на базовую команду), малыми габаритами, воз­можностью «горячей» замены модулей (замена модулей без выключения питания) и т.д. К их дополнительным возможностям относятся: наличие сторожевого таймера, самодиагностика, режим автонастройки параметров регулятора. Программи­рование контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера на различных языках программирования по стандарту
IEC 61131-3. Широко при­меняется программный пакет ISaGRAF, как интегрированный пакет разработки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего уровня, а также система Otralogic для программирования контроллеров на языке FBD по стандарту IEC 61131-3.

На третьем (диспетчерском) уровне управления располагаются рабочие станции, серверы и другое оборудование. По сравнению с традиционными операторскими пультами, рабочие станции, безусловно, являются шагом вперед по мощности, производительности и разрешающей способности. Рабочие станции являются сбалансированным решением для создания автоматизированного рабочего места оператора или диспетчера. Они обеспечивают компромисс между производительностью и устойчивостью к воздействиям внешней среды. В тех случаях, когда внешние воздействия находятся в пределах, позволяющих использовать обычные персональные компьютеры, автоматизированные рабочие места операторов (диспетчеров) создаются на базе ПК. Зачастую роль сервера в АСУ ТП достается одному из ПК, однако в большинстве случаев такое решение неверно. Стандартный промышленный компьютер не может полностью выполнить функцию промышленного сервера, так как у него для этих целей не хватит ни вычислительной мощности, ни надежности, ни функциональности. Главное назначение сервера – обеспечение работы ресурсоемких приложений, сбои в работе которых могут привести к тяжелым последствиям. Существует достаточно много различных типов серверов: начального уровня, с повышенной функциональностью, отказоустойчивых и т.д. В тех случаях, когда внешние условия эксплуатации лежат в допустимых пределах, в качестве сервера используют обычные ПК.

На четвертом (бизнес) уровне используются локальные вычислительные сети с обычными персональными компьютерами и стандартным коммуникационным оборудованием.