Распределенные СУ ТП. Концепция построения РСУ.

Лекция 2.1.5.

Тема: Модели системы управления.

Распределеннная система управления.

Структура и модель системы управления.

Промышленные коммуникации.

Информационные модели и информационные потоки.

Распределеннная система управления.

Введение в автоматизацию

        Автоматизация технологического процесса – совокупность методов и средств, предназначенных для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия ответственных решений.

Технологический объект управления – совокупность совместно функционирующего технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.

Технологический процесс – процесс обработки или переработки сырья, материалов и полуфабрикатов в процессе производства продукции. Иными словами – процесс превращения материалов, энергии или информации.

Технологические процессы можно классифицировать в зависимости от способов превращения сырья в продукты:
• Непрерывные – технологические процессы, в которых перемещение материальной энергии и информации происходит непрерывным потоком, что обеспечивает непрерывное функционирование процесса.
• Периодические – процессы, в которых перемещение материалов, энергии и информации происходит периодическим потоком, который циклически повторяется.
• Непрерывно-периодические – в них технология протекает за ограниченное время, перемещение материалов, энергии и информации происходит в виде непрерывных потоков.

Разработка современных АСУ ТП требует глубокого теоретического и экспериментального исследования технологического процесса. С этой целью проводят декомпозицию технологического процесса в виде некоторого числа подсистем, которые связанны между собой материальными потоками. Каждая подсистема представляется в виде объекта управления. Под объектом управления понимают часть технологического процесса, который с одной стороны ограничен датчиком, а с другой – регулирующим устройством.

Не всегда размеры (границы) технологического процесса совпадают с границами объекта управления.

Объекты управления характеризуются входами, выходами, статическими и динамическими характеристиками. В зависимости от количества входных или выходных величин объекты управления могут быть одномерными или многомерными. Входы объекта делят на управляемые и возмущающие. Взаимосвязь входа с выходом называется каналом воздействия. Декомпозиция технологического процесса на объекты управления позволила создать общие принципы и методы представления объектов теории управления. Это дает возможность проектировать АСУ ТП независимо от природы протекания процесса.
Объект управления может находится в статическом и динамическом режимах работы. Статический режим работы объекта управления характеризуется неизменностью параметров во времени. Динамический или нестационарный режим характеризуется изменением во времени его параметров или координат.

Классификация средств автоматизации

Классификация технических средств автоматизации не является чем-то, уж слишком, сложным и нагруженным. Однако, в целом технологические средства автоматизации имеют достаточно разветвленную структуру классификации. Попробуем разобраться с ней.

Современные средства автоматизации делятся на две группы: коммутированные и некоммутированные (программированные) технические средства автоматизации:

1) Коммутированные средства автоматизации
• Регуляторы
• Релейные схемы

2) Программированные средства автоматизации
• ADSP процессоры
• ПЛК
• ПКК
• ПАК
• Специализированные контроллеры

• ADSP процессоры – средство автоматизации, которое используются для сложного математического анализа процессов в системе. Эти процессоры имеют быстродействующие модули ввода/вывода, которые с высокой частотой могут передавать данные на центральный процессор, который с помощью сложного математического аппарата анализирует работу системы. Пример – системы вибродиагностики, которые используют для анализа ряды Фурье, спектральный анализ и счетчик импульсов. Как правило, такие процессоры исполняются в виде отдельной PCI платы, которая монтируется в соответствующий слот компьютера и использует ЦП для математической обработки.

• ПЛК – самые распространенные средства автоматизации. Имеют собственный блок питания, центральный процессор, оперативную память, сетевую карту, модули ввода/вывода. Преимущество – высокая надежность работы системы, адаптация к промышленным условиям. Кроме того используются программы, которые выполняются циклически и имеют так называемый Watch Dog, который используется для предотвращения зависания программы. Также программа выполняется последовательно и не имеет параллельных связей и этапов обработки, которые могли бы привести к негативным последствиям.

• ПКК – компьютер с платами ввода/вывода, сетевыми картами, которые служат для ввода/вывода информации.

• ПАК (программированные автоматизированные контроллеры) – ПЛК+ПКК. Имеют распределенную сетевую структуру для обработки данных (несколько ПЛК и ПКК).

• Специализированные контроллеры – не являются свободно программируемыми средствами автоматизации, а используют стандартные программы, в которых можно изменить только некоторые коэффициенты (параметры ПИД-регулятора, время хода исполнительного механизма, задержки и т.д.). Такие контроллеры ориентированы на заранее известную систему регулирования (вентиляция, отопление, ГВС). В начале нового тысячелетия эти технические средства автоматизации получили большое распространение.

Особенностью ADSP и ПКК является использование стандартных языков программирования: C, C++, Assembler, Pascal , — так как они созданы на базе ПК. Эта особенность средств автоматизации является одновременно и достоинством и недостатком. Преимущество в том, что с помощью стандартных языков программирования можно написать более сложный и гибкий алгоритм. Недостаток – для работы с ними необходимо создавать драйверы и использовать язык программирования, который является более сложным.

Преимуществом ПЛК и ПАК является использование инженерных языков программирования, которые стандартизованы IEC 61131-3 . Эти языки рассчитаны не на программиста, а на инженера-электрика.

Распределенные СУ ТП. Концепция построения РСУ.

Появление микропроцессоров позволило ввести в технику управления термин распределенная система управления (РСУ). Современные системы компьютерной автоматизации строятся с применение принципа распределенного управления (РСУ). Распределенные системы управления предполагают сетевой обмен информацией. Дальнейшее развитие принципа распределенного управления привело к широкому распространению технологии Fieldbus («полевая шина»). В системах управления, где используются принципы «полевой шины», каждое отдельное «полевое» устройство обменивается данными в цифровой форме. Можно сказать, что Fieldbus это технология сенсорно – актуаторных цикличных и ацикличных коммутаций повышенной надежности. Она предполагает использование стандартного серийного порта и витой пары. Решение задач автоматизации производства с применением современных вычислительных технологий происходит в многоуровневой системе управления (компьютерные системы автоматизации производства). Такие системы имеют следующую функциональную структуру (рис. 2.1)

1. I/O (Input/Output), уровень ввода – вывода (сбор технологической информации посредством датчиков и управление исполнительными механизмами, сенсоры и актуаторы);

2.Control (Control Level), системы автоматического контроля и регулирования (автоматические регуляторы, микропроцессорные контроллеры и преобразователи);

3.SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления с помощью специального программного обеспечения (PMOT - Рабочее Место Оператора-Технолога);

4. основная задача обработка и фильтрация информации о технологическом MES (Manufacture Execution System) система исполнения производства; процессе с целью его дальнейшего использования средним и верхним эшелоном управления предприятием в реальном масштабе времени;

5.MRP (Manufacture Resource Planning) система автоматизации бухгалтерского учета, планирования, управления финансами и материально-техническим снабжением, организация документооборота. В отечественной терминологии задачи первых трех уровней решает АСУ ТП, четвертый и пятый уровень исполняется в рамках АСУП. Все пять уровней системы управления реализует ИАСУП (Интегрированная Автоматизированная Система Управления Предприятием). Решение задач компьютерной автоматизации происходит в сетях с вертикальной иерархией систем. На каждом уровне реализуется логически обоснованный набор функций, таким образом, создается CIM (Computer Integrated Manufacture) пирамида.

В CIM пирамиде выделяют пять уровней (этажей) рис. 2.2:

1)- уровень датчиков и исполнительных механизмов;

2)- уровень процесса;

3)- системный уровень;

4)- уровень управления;

5)- прикладной уровень.

 В рамках терминологии фирмы Setpoint функции системы управления предприятием и распределение задач можно представить в виде следующей схемы рис. 2.3,

Основные задачи решаемые РСУ:

сбор и предварительная обработка информации;

автоматическое регулирование;

(логико-программное управление), управление процессами в нестационарных режимах их работы;

приоритетное управление (на одно и то же устройство, действующее на ТОУ, могут подаваться сигналы с различных подсистем управления);

защита и блокировка (как локальная, так и глобальная);

оперативное управление;

сигнализация;

архивирование информации;

 регистрация событий;

неоперативные расчеты;

передача информации на более уровень.

 Концепции построения современных децентрализован- ных АСУ ТП:

проблемно-ориентированный подход при построении СУ (одна и та же СУ ориентируется на решение задач управления разнообразных промышленных объектов разного информационного масштаба);

распределенное автоматическое управление (живучесть);

объектно-ориентированное управление (ТС АСУ ТП представляются для оператора как совокупность объектов физических и логических, связанных не с аппаратной или программной реализацией, а с технологической схемой автоматизируемого агрегата);

централизованный контроль; технологическое программирование;

самодиагностика и выборочное развитие; проектная компоновка (пользователь под конкретную АСУ ТП выбирает необходимые технические изделия).

Рассмотрим состав РСУ:

МПД – магистраль передачи данных

АС – адаптер связи (сетевая плата)

Пр – процессорные устройства

ДС – дисплейная станция

ПУ – периферийное устройство

БУ – блок управления (функциональная клавиатура)

МПД + АС = БСПД (базовая сеть передачи данных)

Пр образуют Сеть ЭВМ

Внешняя часть – ТСПД (территориальная сеть передачи данных)

В отличие от централизованной АСУ ТП, принципиально новым является наличие сети ЭВМ.

Появляется понятие ЛТС – локальная технологическая станция.

У оператора должны быть развиты средства визуализации, Þ появляется понятие ОС – операторная станция и КС – координирующая станция.

МПД в РСУ реализует последовательный протоков передачи данных, Þ а качестве технической основы – физическая линия – коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно.

ЛТС – ТС нижнего уровня управления ТП, служит для автоматического автономного управления отдельными участками этого процесса.

ЛТС может подключаться к общей сети передачи данных, тем самым передавать информацию на центральный пункт управления, в ОС и КС.

ЛТС – программируемый КН, снабженный средствами для работы в сети

Первоначально ЛТС ориентировалась на определенную область применения, Þ разрабатывались станции для управления непрерывными ТП, дискретными ТП, периодическими процессами.

Алгоритмическое обеспечение ХТС позволяет реализовать ПИД-регулирование, каскадные системы, комбинированные системы, ПЛУ (программно-логическое управление).

Благодаря распределенной обработке информации в сети ЛТС появилось понятие живучесть.

ОС выполняет функции, относящиеся к более высокому уровню иерархии управления: обеспечивает управление производственным процессом. Назначение ОС – связать оператора с объектом и со средствами АСУ ТП. Особенность ОС – оснащаются развитыми средствами вывода информации и одновременно позволяют воспринимать управляющее воздействие, исходящее от оператора. Информация на экране дисплея представлена в форме видеограмм, отображает состояние ТП. Видеограммы: стандартные и не. Нестандартные реализуются непосредственно пользователем и индивидуально для конкретного объекта (мнемосхемы). Стандартные – таблицы.

Особенность видеограмм – строятся в виде иерархической системы (от обзорных до конкретных).

КС: Если сеть ЭВМ нуждается в центральной управляющей ЭВМ, то в ее состав включают КС.

В рамках РСУ решаются следующие проблемы и задачи:

1. сбор и предварительная обработка информации

2. автоматическое резервирование

3. ЛПУ (логико-программное управление): пуск, остановка, авост (аварийная остановка) и т. д.

4. приоритетное управление (на одно и то же устройство, воздействующее на один ТП, могут подаваться сигналы с различных систем): СР + система блокировок

5. защита и блокировка, как локальная, так и глобальная

6. операторное управление

7. сигнализация

8. архивирование информации

9. регистрация событий

10. не оперативный расчет

11. передача информации на более высокий уровень

Схемы автоматизации могут выполняться в развернутой и упрощенной форме

В развернутой форме – более полная детализация: функции цепей совпадают с аппаратурным оформлением, выполняются условные обозначения шкафов, щитов, пультов, и т. д., показываются все приборы измеряемой цепи. По этому способу выполняется схема автоматизации

Упрощенная форма – нет изображения шкафов, щитов, пультов, не отображаются все приборы цепей, показываются только основные приборы

Допускается использование комбинированной формы

SCADA системы

SCADA системы (с английского Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) – это специализированый программный пакет включающий в себя системы сбора данных, их пересылки, обработки информации и отображение данных об протекании процессов автоматического управления, состояния оборудования и т.п.

Такие системы устанавливают на инженерные и операторские рабочие станции (ПК). Для обеспечения связи с объектом и оборудованием система управления SCADA использует специализированные драйверы ввода/вывода или OPC/DDE серверы. Программирование SCADA может осуществляться на широко известных языках, будь то С++, Visual Basic, и тд.

Комплектация программного пакета может быть вариативной и дополнятся специализированным ПО для программирования контроллеров.

По своей сути, SCADA программа — это некое приложение, которое выполняет ряд функций сбора, обработки, отображения и анализа данных и специального инструментария для проектирования SCADA приложений. Как целый программно-аппаратный комплекс подобные решения уже давно не подразумеваются. Благодаря подобным решениям можно строить АСУ ТП в распределенной или клиент-серверной архитектуре.

Основные функции и задачи:

§ Обмен данными с различных устройств связи с объектом управления ;

§ Обработка данных в режиме реального времени;

§ Реализация SCADA HMI – человеко-машинного интерфейса с отображением информации на ПК или операторских панелях;

§ Ведение базы данных;

§ Контроль аварийной сигнализации и сообщениями о тревогах;

§ Создание отчетов о ходе технологического процесса;

§ Передача данных на верхние уровни АСУ ТП (MES/ERP системы);

Компоненты SCADA

Исходя из вышеописанного функционала основные компоненты подобных приложений следующие:

§ Драйверы ввода/вывода данных, обеспечивающие связь с ПЛК, АЦП и другими устройствами;

§ HMI — человеко-машинный интерфейс, позволяющий визуализировать протекающие процессы;

§ Приложения логического управления – исполнение пользовательских программ:

§ База данных реального времени;

§ Система управления тривогами;

§ Система реального времени – позволяет выполнять приложения с распределенными приоритетами;

§ Генератор отчетов;