ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРОВ

 

На рубеже 80-х и 90-х годов ХХ века ведущие мировые производители средств автоматизации подошли к этапу их выпуска в виде наборов программно-технических комплексов (ПТК). Основными признаками таких комплексов для построения АСУ ТП являются совместимость их отдельных компонентов, способность функционировать в единой системе, а также стандартизация интерфейсов, функциональная полнота, позволяющая строить целиком АСУ ТП из средств только данного комплекса.

За рубежом вместо понятия программно-технические комплексы прижилось другое определение – интегрированная среда проектирования.

В настоящее время на рынке промышленной автоматизации присутствует несколько десятков самых разнообразных ПТК как отечественных, так и зарубежных производителей. Все они отличаются своей структурой, информационной мощностью, эксплуатационными характеристиками (диапазон температур, влажности, возможность использования во взрыво- и пожароопасных производствах), стоимостью и др.

Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить несколько функциональных элементов, присущих большинству из них:

· программируемые логические контроллеры или промышленные компьютеры;

· интеллектуальные устройства связи с объектом;

· устройства связи с оператором (дисплеи, панели операторов и т.д.);

· промышленные сети;

· рабочие станции и серверы различного назначения;

· прикладное программное обеспечение.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТК

В последние годы рынок средств автоматизации в России изменился коренным образом – потребителям стала доступна практически вся гамма продукции данного сектора рынка, выпускаемая как отечественными, так и зарубежными производителями. Это привело с одной стороны к достаточно жесткой конкуренции производителей, а с другой стороны к некоторой растерянности потенциальных заказчиков, оказавшихся перед огромным числом различных предложений.

Ввиду этого представляется важным рассмотреть те свойства ПТК, которые отличают их с точки зрения использования, позволяют потенциальным пользователям лучше понять разницу между отдельными комплексами, связать определенные свойства объекта и требования к системе его автоматизации с характеристиками и параметрами конкретных ПТК.

1. Структура ПТК. Она определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода/вывода), т.е. его сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие возможных структур ПТК зависит от числа имеющихся сетевых уровней, возможных типов связи на каждом уровне сети (шина, звезда, кольцо), параметров сети каждого уровня: возможных типов кабеля, максимально возможных расстояний, максимального числа узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации при разных типах кабеля, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки).

Указанные свойства ПТК характеризуют: возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованной на данном ПТК; предельную динамику передачи оперативной информации через любую из имеющихся сетей, возможность переноса блоков ввода/вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам, что позволяет существенно сэкономить затраты на кабель и уменьшить помехи из-за передачи низковольтных аналоговых сигналов на большие расстояния. Для компенсации аварийных ситуаций, требующих согласованной во времени работы ряда контроллеров, важно обеспечение требуемого времени передачи приоритетных сигналов по сети. Наличие информационной сети для передачи больших массивов информации между пультами операторов и между ними и сервером корпоративной сети предприятия, а также характеристики этой сети (включая ее протоколы) позволяют судить о возможностях связей рассматриваемой системы автоматизации с другими более высокими уровнями управления производства.

2. Стандартизация, типизация и открытость ПТК. Современной тенденцией развития микропроцессорных комплексов контроля и управления является стандартизация и типизация их отдельных блоков и компонентов и, частично как следствие этого, все более расширяющаяся открытость систем, т.е. возможность их прямой работы с аппаратурой и программами многих фирм.

Если понимать под типизацией имеющиеся стандарты и принятые среди ведущих производителей ПТК соглашения, то следует отметить распространение среди многих фирм следующих достаточно общих типовых решений:

· магистрально-модульная архитектура связей плат контроллеров, которая позволяет использовать в одном приборе платы разных фирм, собранные по одному стандарту;

· конструктивное оформление контроллеров и выносных блоков ввода/вывода, корпусов, стоек и шкафов;

· операционные системы реального времени для контроллеров, имеющие малое время реакции на внешние сигналы, создающие открытую среду для разработчиков прикладных программ и облегчающие типизацию и перенос прикладных программ на контроллеры разных фирм;

· промышленные сети, используемые в качестве полевых и системных сетей, имеющие гарантированное время передачи сигналов по сети и позволяющие связывать контроллеры и приборы разных фирм, имеющие интерфейс к этим сетям;

· операционные системы для пультов оператора типа Windows, дающие возможности использовать обширное поле прикладных программ, работающих под данными операционными системами;

· информационная сеть Ethernet, имеющая наибольшее распространение в корпоративных сетях предприятий и позволяющая непосредственно обмениваться данными с производственными отделами предприятия;

· пакеты визуализации технологической информации на дисплейных пультах операторов, имеющие драйверы к контроллерам разных производителей и стандартные межпрограммные интерфейсы для использования приложе, ний создаваемых различным программным обеспечением.

При создании систем автоматизации достаточно замкнутых, почти не взаимодействующих с внешним миром объектов, вопросы типизации и открытости закупаемых ПТК имеют малое значение; но при автоматизации участков производства, имеющих взаимосвязи с другими агрегатами и цехами, с другими сетями на разных уровнях управления, при учете будущих модернизаций и расширений системы автоматизации, при необходимости ввода нового ПТК в уже существующую систему автоматизации вопросы типизации и открытости во всех или в отдельных вышеперечисленных аспектах могут играть существенную роль и даже быть одним из важнейших критериев при выборе наилучшего варианта ПТК.

3. Характеристики контроллеров. Свойства и параметры основного компонента ПТК – контроллера – уже рассматривались в данной книге. Если еще раз кратко выделить важнейшие для пользователей показатели, то к ним можно отнести: тип основной вычислительной платы, разрядность, рабочая частота, наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, энергонезависимой, ПЗУ (небезынтересно также знать каков объем памяти, предназначенный для программ пользователя), операционная система контроллера, максимальное число различных входов и выходов (аналоговых, дискретных, импульсных), которые можно подключить к контроллеру. Важным обстоятельством является наличие в конкретном ПТК ряда модификаций контроллеров, отличающихся друг от друга мощностью, памятью, условиями работы, резервируемостью и различными другими параметрами.

Знание вышеуказанных характеристик позволит создать систему управления оптимально соответствующую требованиям процесса, не допуская применения излишне мощной и дорогой аппаратуры. Наличие ряда модификаций контроллеров позволит к решению этой задачи подойти максимально гибко для различных участков автоматизируемого объекта.

4. Характеристики блоков ввода/вывода. Блоки ввода/вывода могут быть встроены в конструктив контроллера, либо располагаться в отдельных выносных конструктивах. В первую очередь, важно их имеющееся разнообразие в части числа сигналов, с которым работает тот или иной блок, и параметров этих сигналов. Существенные свойства блоков: разрядность и точность преобразователей блоков; наличие, варианты и параметры гальванической развязки; наличие искробезопасных блоков; наличие блоков с предварительной вычислительной обработкой поступающих сигналов.

При анализе этих компонентов ПТК следует точно согласовывать их с имеющимся и проектируемым набором датчиков и исполнительных механизмов автоматизируемого объекта. Для объектов пожаро- и взрывоопасных необходимо наличие искробезопасных блоков. Важно знать метрологическую точность преобразования измеряемых сигналов.

5. Характеристики пультов оператора. Поскольку для разных объектов и разных классов задач могут потребоваться кнопочные пульты управления и элементы визуализации предпочтительно выбирать ПТК, у которого существует ряд модификаций пультов оператора или в их качестве могут использоваться различные модификации персональных ЭВМ. Возможность выбора варианта пульта оператора по размеру их экранов, типу клавиатур обеспечивает его экономичное согласование с требуемыми параметрами, влияет на удобство и комфортность работы операторов.

6. Динамика работы ПТК. Важными для многих применений являются динамические параметры ПТК, определяющие возможное быстродействие разрабатываемых цепей контроля и управления. Отдельными показателями динамики являются:

· минимальный цикл опроса датчиков и минимальное время реакции на аварийные сигналы при их обработке в цепях аварийной защиты: внутри одного контроллера, при передаче управляющих сигналов через системную сеть, при прохождении сигнала через пульт оператора;

· минимальный цикл смены динамических данных в кадре на пульте оператора и смены самих кадров, а также минимальное время реакции на команду оператора с пульта;

· минимальное время перезапуска как всей системы, так и только отдельных контроллеров после перерывов питания.

Указанные показатели имеют тем более важное значение, чем более быстро протекают технологические процессы в автоматизируемом объекте.

7. Надежность работы ПТК. Основные характеристики надежности не могут достаточно точно определяться для ПТК такой удобной и привычной характеристикой, как " число часов наработки на отказ". Это обусловлено тем, что ввиду высокой надежности современных вычислительных элементов и плат, да еще и сквозного контроля блоков и конструктивов в процессе их изготовления, отказы в работе компонентов ПТК весьма редки и провести достаточно чистый эксперимент, чтобы набрать необходимую статистику для расчета числа часов наработки на отказ, хотя бы по средней по объему выборке, производители обычно не могут; тем более, что сами вычислительные элементы модифицируется быстрее, чем мог бы закончиться сам указанный эксперимент. По этой причине характеристики надежности правильнее оценивать косвенными показателями и возможностями ПТК, которые перечислены ниже:

· глубина и полнота имеющихся диагностических тестов определения неисправностей в отдельных компонентах ПТК;

· возможности, варианты и полнота резервирования отдельных компонентов ПТК: сетей, контроллеров, блоков ввода/вывода, пультов оператора;

· наличие встроенных в систему блоков бесперебойного питания (аккумуляторов) и время их работы при прекращении питания системы от сети, а также возможность и длительность перерыва питания без нарушения функций управления.

Поскольку использование резервирования и его полнота напрямую связаны со стоимостью системы, важно правильно оценить необходимость и желательный вид резервирования разных частей ПТК в разрабатываемой системе автоматизации: частей для аварийных контуров, для блокировочных зависимостей, для контуров регулирования, для цепей контроля; а уже после этого оценивать подходящие для данного объекта возможности резервирования различных ПТК.

Надежности той или иной ПТК косвенно определяется престижем данной ПТК на рынке; наконец, поведением ПТК в работающих системах автоматизации по отзывам персонала, эксплуатирующего эти системы.

8. Условия окружающей среды. Эти свойства, в основном, характеризуют варианты конструктивного исполнения отдельных компонентов ПТК. Они определяют особенности наружной среды, в которой может устанавливаться система и/или ее отдельные части:

· диапазон температур и влажности окружающей среды;

· имеющаяся защита от влажности и пыли (этот показатель, большею частью, указывается по значению европейского стандарта IP);

· максимальное содержание в среде различных агрессивных газов;

· максимальные вибрация и ударные нагрузки, которым может подвергаться система;

· максимальные электрические и магнитные помехи, допускаемые при работе системы;

· возможность работы системы при отсутствии качественного заземления ее компонентов.

В зависимости от отрасли промышленности, особенностей производства, окружающего климата – в каждом конкретном случае выдвигаются на первый план те или иные свойства окружающей среды, являющиеся важнейшими ограничениями при выборе ПТК. Следует отметить, что почти всегда существует вариант обойти неблагоприятные свойства окружающей среды путем помещения аппаратуры в специальные помещения, достаточно изолированные от неблагоприятных внешних воздействий; но обычно этот вариант оказывается достаточно дорогим, т.к. требует создания и эксплуатации помещений с кондиционированием, очисткой воздуха, созданием в помещении избыточного давления, экранированием помещения и т.п.; кроме того, отказ от распределения по производству компонентов ПТК приводит к значительному увеличению кабельных линий системы, что также сказывается на стоимости ПТК.

9. Программное обеспечение ПТК. Неотъемлемой частью ПТК является программное обеспечение, которое подразделяется на следующие части:

· системное программное обеспечение контроллеров;

· системы подготовки программ для контроллеров;

· программное обеспечение для визуализации информации на пультах операторов;

· сервисные программы параметризации отдельных модулей;

· прилагаемые к ПТК программы САПР и прикладные пакеты.

Полнота, простота, удобство программного обеспечения определяют важнейшие показатели проектирования и эксплуатации системы автоматизации: время разработки системы и необходимую квалификацию разработчиков, эффективность эксплуатации системы и комфортность работы с ней операторов и обслуживающего персонала, возможности и легкость расширения и модернизации системы.

В связи с многогранностью этого вопроса и его важности рассмотрение составных частей программного обеспечения ПТКвынесено в отдельный раздел этой книги.

10. Организационно-экономические факторы внедрения ПТК. Экономические и организационные показатели заказа, внедрения, сопровождения ПТК можно подразделить на следующие группы:

· сопоставительная стоимость ПТК, хотя ее анализ является довольно неопределенным – продавцы меняют стоимость в зависимости от конкурентных условий, объема заказа, своей политики на данном секторе рынка. Ввиду этого, целесообразно знать хотя бы одну ориентировочную косвенную характеристику стоимости ПТК стоимость базовых контроллеров и основных пакетов программного обеспечения;

· имеющийся опыт реализации данного ПТК в промышленности, который определяется общим числом предприятий работающих с этим ПТК, числом внедрений на агрегатах, аналогичных автоматизируемому объекту;

· особенности работы реализатора ПТК по его внедрению и сопровождению на предприятии заказчика: сроки поставки и внедрения; формы оплаты; наличие технических и ремонтных центров по сопровождению системы; гарантийные обязательства; варианты обучения персонала заказчика; наличие и полнота документации на русском.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПТК

 

Все выпускаемые микропроцессорные ПТК подразделяются на классы, каждый из которых выполняет определенный набор функций. Рассмотрим уже устоявшуюся классификацию ПТК, начиная с простейшего класса, минимального по функциям и объему автоматизируемого объекта, и, кончая классом, который может охватывать задачи планирования и технического управления на всем предприятии:

1. ПТК на базе ПК или РС-совместимого контроллера;

2. ПТК на базе локальных ПЛК;

3. ПТК для создания сетевого комплекса контроллеров;

4. ПТК для создания распределенных систем.

Приведенная классификация помогает охватить всю гамму современных ПТК и выделить основные черты и отличия отдельных классов этих средств. Однако эта классификация носит приближенный характер. Четких границ между классами ПТК не существует, а в последние годы они тем более размываются, так как открытость и стандартность отдельных компонентов таких комплексов позволяет компоновать их из разных средств, соединять различными типовыми сетями и создавать систему управления из отдельных компонентов, выпускаемых разными фирмами и относящихся к разным классам.

ПТК на базе ПК или РС-совместимого контроллера (PC based Control). Это направление существенно развилось в последнее время с повышением надежности работы ПК, наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении; открытой архитектуры, легкости включения в них любых блоков ввода/вывода; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры программного обеспечения. Основные сферы использования контроллеров на базе ПК – специализированные системы автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации, для небольших замкнутых объектов в промышленности. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит нескольких десятков, а функции выполняют достаточно сложную обработку измерительной информации с расчетом управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе ПК можно очертить следующими условиями:

· при нескольких входах и выходах объекта надо производить большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени (необходима большая вычислительная мощность);

· средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы обычных ПК;

· 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;

· мощная поддержка работы операторов.

ПТК на базе локальных ПЛК ( Local PLC). Единичный локальный контроллер выполняет все необходимые функции системы автоматизации на достаточно изолированном небольшом производственном узле, при этом не требуется его связь с другими средствами автоматизации. Он либо является автономным конструктивом, подсоединяемым к автоматизируемому объекту, либо встраивается в оборудование и является его неотъемлемой частью.

Контроллеры обычно рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов; их вычислительная мощность невелика; они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования.

ПТК для создания сетевого комплекса контроллеров (PLC NetWork). Этот класс микропроцессорных средств наиболее широко используется во всех отраслях промышленности. Обычный состав сетевого комплекса контроллеров:

· несколько одно- или разнотипных контроллеров, обычно, одной серии;

· одна или несколько дисплейных рабочих станций операторов;

· промышленная сеть, соединяющая контроллеры и рабочие станции между собой;

· полевая сеть, позволяющая выносить блоки ввода/вывода контроллера к отдельным датчикам и исполнительным механизмам.

Контроллеры определенной серии обычно содержат ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, максимальным числом каналов входов/выходов. Это облегчает использование сетевого комплекса для разнообразных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под отдельные узлы автоматизируемого агрегата и разные функции контроля и управления.

В качестве дисплейных пультов почти всегда используются те или иные ПК в обычном или промышленном исполнении с клавиатурами – обычной алфавитно-цифровой и специальной функциональной, с одним или несколькими мониторами, имеющими большой экран.

Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собою маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична – это ряд как периодических, так и случайных во времени коротких сообщений. К их передаче предъявляются требования: сообщения ни в коем случае не могут быть утеряны (должна быть гарантия их доставки адресату); для сообщений высшего приоритета (например, об авариях) должен быть гарантирован интервал времени их передачи.

Наличие в ряде контроллеров выносных блоков ввода/вывода, связанных с самим контроллером полевой сетью, позволяет расширить число обрабатываемых каждым контроллером датчиков, снизить помехи в цепях измерения, уменьшить кабельную сеть на производстве.

Прикладное программное обеспечение сетевых комплексов контроллеров состоит из двух взаимосвязанных частей, ориентированных на специалистов по автоматике, а не на квалифицированных программистов, что существенно упрощает внедрение комплексов. Одна часть программного обеспечения - это SCADA-программа, реализующая построение и функционирование рабочих станций операторов. Другая часть – специализированные технологические языки контроля и управления и наборы типовых программных модулей, с помощью которых реализуются почти все конкретные функции контроллеров.

Большинство сетевых комплексов контроллеров имеет ограничения как по сложности выполняемых функций (обычно, они реализуют типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно, они реализуют управление отдельным технологическим агрегатом).

Большинство зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы контроллеров (порядка сотен входов/выходов на контроллер): DL 205, DL 305 фирмы Коуо Electronics; TSX Micro фирмы Schneider Automation; SLC-500 фирмы Rockwell Automation; CQM1 фирмы Omron, S-300 фирмы Siemens.

ПТК для создания распределенных систем управления (distributed control systems – DCS). Это наиболее мощный по возможностям и по охвату производства класс взаимосвязанных контроллеров, практически не имеющий границ ни по выполняемым производственным функциям, ни по объему автоматизируемого производственного объекта. Не редки примеры использования одной такой системы для автоматизации производственной деятельности целого крупномасштабного предприятия или холдинга.

Такие ПТК имеют несколько уровней промышленных сетей, соединяющих контроллеры между собой и с рабочими станциями операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и рабочей станции отдельного компактно расположенного технологического узла, и высший уровень, реализующий связи средств управления отдельных узлов друг с другом и с рабочими станциями операторов всего автоматизируемого участка производства). В ряде случаев развитие сетевой структуры идет в направлении создания ряда быстродействующих полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры как с удаленными от них блоками ввода/вывода, так и с интеллектуальными приборами (датчиками и исполнительными устройствами).

Отметим ряд свойств, присущих данному классу контроллерных средств:

· наличие мощных по вычислительным возможностям модификаций контроллеров, что позволяет реализовать в них многие современные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы контроля, диагностики, управления;

· использование контроллеров различных серий;

· использование протяженных промышленных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и рабочих станций) и распределять эти узлы на значительные расстояния (десятки километров);

· работа взаимодействующих рабочих станций в клиент/серверном режиме и в структуре Интранет;

· достаточно проработанное включение в систему информационных сетей для связи рабочих станций операторов друг с другом, для их связи с серверами баз данных, для взаимодействия данной системы с корпоративной сетью предприятия, для возможности построения необходимой иерархии управляющих центров планирования, диспетчеризации и оперативного управления, для вывода нужной информации за пределы данного предприятия с помощью глобальной сети Internet;

· наличие в составе системы ряда прикладных пакетов программ, реализующих функции эффективного управления отдельными агрегатами (многосвязное регулирование, оптимизация и т. д.), функции диспетчерского управления участками производства (компьютерная поддержка принятия управленческих решений), функции технического и экономического учета и оперативного планирования производства в целом.

В некоторых источниках распределенные системы управления подразделяют на системы малого масштаба (DCS Smoller Scale) и полномасштабные системы (DCS Full Scale). С помощью такой классификации хотят показать степень проникновения элементов ПТК на различные уровни производства и отразить определенные количественные масштабы их применения (по удаленности элементов друг от друга, количеству этих элементов и т.д.) Однако, такое деление весьма условно – точных критериев и границ такого деления не существует. Условно оно уже и в силу того, что ПТК развиваются, сферы их применения расширяются. Элементы, даже развитых ПТК, могут применяться в конкретных случаях ограниченно, что также может создавать неправильное суждение о ПТК с рассматриваемой точки зрения.

Приведем следующие примеры маломасштабных ПТК: ControlLogix фирмы Rockwell Automation; Simatic S7-400 фирмы Siemens; TSX Quantum фирмы Schneider Automation и следующие примеры полномасштабных: АББ-Symphony; Honeywell - ТРС и PlantScape; Valmet - Damatic XDi; Yokogava - Centum CS, Foxboro - I/A Series, Fisher-Rosemount - Delta-V.

Сегодня создание распределенных систем является ведущим направлением в области проектирования сложных систем автоматизации. Далее этому направлению, составным компонентам соответствующих ПТК в книге будет уделено отдельное внимание.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: