Одно- и многоуровневые системы диспетчерского контроля и управления

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 18Следующая ⇒

Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) ведущих мировых фирм (Intellution, Wonderware, Siemens, Advantech, Iconics) являются открытыми системами, архитектура которых позволяет независимо выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате – расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение их стоимости.

В качестве удаленных и главных терминалов используют индустриальные компьютеры, программно совместимые с обычными коммерческими машинами, но адаптированные для жестких условий эксплуатации. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, т.к. изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются адаптерами расширения, которых на рынке существует большое разнообразие от различных производителей. В качестве ОС в промышленных PC, работающих в качестве удаленных терминалов, применяется Windows NT, в т.ч. различные расширения реального времени, специально разработанные для этой ОС. Наиболее известными поставщиками индустриальных компьютеров являются американские фирмы Xycom, Octagon Systems и тайваньские Advantech, Axiom.

На первом уровне иерархии систем используют промышленные контроллеры, которые имеют вычислительное ядро и модули ввода/вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, других устройств и контроллеров и осуществляющие управление процессом или объектом выдачей управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные контроллеры часто объединяются в сеть (RS-485, Ethernet, различные типы индустриальных шин), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют программировать и управлять ими через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA-системы – диспетчерском пункте управления (MTU). Наиболее развитыми архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation (General Electric), Allen-Bradley (Rockwell), Mitsubishi, Advantech.

3.12. Технологии и протоколы передачи данных в промышленности: Industrial Ethernet

В настоящее время при создании fieldbus используется ряд коммуникационных технологий и протоколов, благодаря чему возможно объединить в единую распределенную систему различные датчики, исполнительные устройства и контроллеры. Однако кроме надежности функционирования такой системы, немаловажным вопросом являются факторы простоты обслуживания, инсталляции, возможности создания открытых систем в специфических условиях при сохранении широкого спектра функциональных возможностей.

Ethernet на протяжении длительного времени является признанным универсальным стандартом для компьютерных офисных сетей. Действия разработчиков и поставщиков оборудования для управления производственными процессами направлены на создание международного стандарта в области промышленных коммуникаций и объединения большого количества независимых технологий fieldbus. Учитывая распространение технологии Ethernet, ее поддержку большим количеством производителей, возникает возможность организовать единую систему, обеспечивающую совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУ ТП, организовать единую среду, включающую в себя компьютеры операторов, производственное оборудование, а также коммуникационного оборудования:

При этом приходится учитывать постоянно растущую необходимость использования производственных данных (в том числе и в режиме реального времени) в системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP, Enterprise Resource Planning), системах бухгалтерского учета и бизнес-процессах, системах взаимодействия с заказчиками (CRM, Customer Relationship Management) и других, а также и то, что нынешние АСУП в большинстве своем используют для коммуникаций сети типа Ethernet и протоколы TCP/IP, а ИС и КИС технологии Internet и Web. Предпринимаются активные попытки внедрить Ethernet на цеховом уровне, задействовать привычные сетевые протоколы для интеграции АСУП и АСУ ТП, преодолеть технологические барьеры, возникшие в результате их независимого развития. С помощью Ethernet становятся возможными интеграция в сети различных устройств и их централизованное управление, передача данных от технологических узлов и их обработка в различных приложениях, простая интеграция с Интернет. А большой спектр устройств и коммуникационных компонентов, поддерживающих Ethernet, и высокий уровень конкуренции предполагают низкую стоимость указанных средств и позволяют снизить расходы на обучение обслуживающего персонала и поддержку инсталлированной системы.

Со стороны производителей в разработках и продвижении Industrial Ethernet участвуют крупные мировые концерны, среди которых Cisco и General Electric, учредившие пять лет назад совместное предприятие GE Cisco Industrial Networks; Siemens, выдвинувшая инициативу Profinet (Profibus+Ether-net), а также Echelon, Phoenix Contact, Schneider Electric и другие. С разработками нового промышленного коммуникационного оборудования, модифицируются некоторые существующие протоколы и технологии с учетом особенностей Ethernet и TCP/IP. В последнее время на рынке систем промышленной автоматизации наблюдается тенденция к вытеснению специализированных промышленных протоколов и переход к более открытым продуктам, поддерживающим Ethernet и TCP/IP и удовлетворяющим требованиям новых стандартов (например Profinet).

Совместно с TCP/IP разработчики внедряют в свои продукты поддержку протокола SNMP. Эта модификация получила название IndustrialSNMP. Продукты, поддерживающие указанный протокол, позволяют администраторам сети читать и записывать информацию на сетевое устройство, обеспечивая удаленное управление. Применение таких решений способствует внедрению Ethernet в области средств управления производственными процессами, усиливая позиции Ethernet в качестве коммуникационной базы управляющих систем. В IndustrialSNMP реализовано несколько баз параметров для распространенных управляемых сетевых устройств, что позволяет администраторам быстрее подбирать подходящие переменные MIB (Management Information Base).

Концепция Transparent Factory от Schneider Electric Automation Business (SEAB), входящей в состав Schneider Electric Group, предполагает использование специального программируе-мого логического контроллера (PLC, Programmable Logic Controller) с поддержкой протоколов TCP/IP и HTTP.

Прозрачный доступ в гетерогенной распределенной сети, включающей в себя различные устройства, от исполнительных устройств и датчиков до ERP-систем, согласно указанной концепции организуется посредством корпоративной сети с различными сервисными уровнями. В качестве разделяемых средств доступа применяются интегрированные в контроллеры устройств сети, Web-серверы WebPLC и интерфейс ОРС (OLE for Process Control), что повышает надежность системы и расширяет возможности диагностики. Открытость контроллеров и систем позволяет решить проблемы, вызванные многообразием различных несовместимых сетевых устройств и ПО, устранить трудности их интеграции и организовать передачу данных между ними и на другие уровни глобальной системы управления предприятием в реальном времени.

Благодаря встроенным Web-серверам обеспечивается возможность реализации пользовательского интерфейса средствами широко распространенного языка HTML, а в качестве клиента можно использовать любое устройство с Web-браузером. Вопросы интеграции в гетерогенной системе уже заложены на уровне HTML и протокола HTTP. Для управления и контроля передачей информации используется вышерассмотренный SNMP. Еще одна интересная особенность этой концепции заключается в возможности использования контроллеров в качестве мостов и концентраторов, которые передают на уровень Ethernet и TCP/IP данные от других, ранее инсталлированных fieldbus-устройств.

В наборе сервисов Transparent Factory Real Time реализованы новые функции Ethernet для контроллеров Schneider Electric производства Premium и Quantum, а также модернизированы коммуникационные адаптеры Momentum ENT и коммуникационное оборудование серии ConneXium. Расширением протокола Modbus TCP/IP для обмена сообщениями в архитектуре клиент-сервер, является открытый протокол реального времени RTPS (Real-Time Publisher Subscriber), разработанный компанией Real Time Innovations. Этот протокол обеспечивает синхронизацию распределенных приложений, гарантированную доставку данных, функции мониторинга, встроенный алгоритм оптимизации трафика, поддержку и автоматическое конфигурирование устройств PnP. В случае отказа узла реконфигурация осуществляется автоматически, что повышает надежность системы и облегчает ее администрирование. По протоколу SNMP каждое устройство в концепции Transparent Factory обращается к базе данных управляющей информации MIB.

Основные отличия между офисными и промышленными кабельными системами состоят в возможностях последних устойчиво работать в агрессивных средах, в условиях сильной вибрации, повышенной влажности и при высоких температурах. Большинство используемых промышленных коммутаторов имеет степень защиты от IP20 до IP40, но по мере их применения в более жестких производственных условиях, степень защиты повысится до уровней IP67 и IP68.

В рассмотренных сферах применения Industrial Ethernet, низкая надежность или выход из строя управляющего компонента сети грозит как дальнейшими большими материальными затратами на восстановление, так и возможными последствиями экологического, техногенного и др. характеров. Для обеспечения более высокой надежности функционирования системы используют кольцевую топологию сети (для обслуживания устройства через альтернативный путь), обеспечивают дублированное питание узлов сети, применение устройств с пассивным охлаждением, плановую генерацию отчетов о состоянии узлов сети, автоматическую идентификацию места неисправности и оповещение о ней администратора. К тому же аппаратные средства должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать высокоскоростную передачу данных в реальном времени и возможность управления программируемыми логическими контроллерами, в том числе и на уровне приложений в распределенных системах, а также поддерживать модули I/O разных производителей. При инсталляции системы и выборе оборудования промышленные сети переконфигурируются достаточно редко, что обусловливает необходимость использования надежных физических линий связи.

3.13. Обеспечение надежности АСУ ТП с использованием резервированного кольца Turbo Ring

Последствия отказа сетевого оборудования в офисе невозможно сравнивать с аналогичным явлением в сети управления производственными процессами. Только сеть, организованная с учетом требований к коммуникационному оборудованию, позволяет обеспечить непрерывное и безопасное функционирование системы, снизить вероятность сбоев в работе и избежать потери данных, получить в любой момент времени отчет о состоянии системы, выявить опасные места и принять меры по устранению возможных неполадок. Одной из основных проблем в приложениях промышленной автоматизации является создание резервированных соединений для быстрого восстановления соединения в случае возникновения повреждений физической линии связи или сетевого оборудования. Причем наиболее важной и критичной характеристикой резервированных систем является время восстановления соединения. Резервированное кольцо Turbo Ring разработки фирмы MOXA Technologies (рис. 3.7) заключается в создании дополнительных резервных соединений со временем восстановления 300 мс.

Рис. 3.7. Резервированное кольцо Turbo Ring разработки фирмы MOXATechnologies

Кольцо Turbo Ring для быстрого восстановления соединения. В этом случае один из сегментов сети блокируется логически, и при выходе из строя другого сегмента, следуя технологии Turbo Ring, соединение будет автоматически восстановлено при подключенных 120 соединениях и при полной загрузке трафика менее чем за 300 мс, что позволяет обеспечить непрерывную работу SCADA/HMI-системы и увеличить время работоспособности всей системы.

Объединение колец Turbo Ring для построения распределенных систем. В некоторых сильно распределенных в пространстве системах применение технологии Ring Coupling позволяет разделять системы на небольшие подгруппы и создавать небольшие резервированные кольца Turbo Ring, соединенные друг с другом по технологии Ring Coupling.

Двойное кольцо Turbo Ring для поддержки резервирования устройств. В различных сферах производства требования, предъявляемые к возможности резервирования системы, различны. Для таких систем предлагается использовать технологию двойного кольца Turbo Ring со временем восстановления 300 мс. Эта система представляет собой два идентичных кольца Turbo Ring, объединенных между собой программируемыми логическими контроллерами.

Industrial Ethernet как fieldbus. Industrial Ethernet представляет общую концепцию организации промышленной сети, вследствие того, что у указанной технологии существует большое количество реализаций, применяются различные физические каналы связи, а также транспортные и прикладные протоколы. Ethernet лидирует при передаче больших объемов данных, обеспечивая при этом высокую скорость взаимодействия, но для объединения большого количества простых устройств с малым передаваемым объемом информации лучшими могут оказаться другие специализированные сетевые протоколы и технологии, вследствие особенностей стека протоколов TCP/IP.

В критичных ко времени АСУ ТП применение стандартного варианта Ethernet нецелесообразно из-за отсутствия гарантированного времени доставки информации. Вполне обоснованно технология будет использована в многоуровневых системах, где будет выступать в роли среды, объединяющей в единую систему группы, построенные по специализированным field-bus-технологиям. В системах, где требуется четкое и точное управление узлами в реальном времени, Ethernet покажет себя не с лучшей стороны. Причина этого – организация доступа к среде передачи, основанная на разрешении коллизий, вследствие чего предопределить заранее исход передачи не представляется возможным. Однако указанный недостаток ощутим при большом количестве объединенных устройств, и его вполне можно решить, организуя локализацию broadcast-передачи информации, путем установки дополнительных коммутаторов. Также не следует забывать о возможности организации виртуальной сети, установке приоритетов для потоков данных, использовании специальных мультиплексированных протоколов.

Локальная сеть внутри контроллера. Выбор адекватной решаемым задачам архитектуры системы автоматизации является актуальной проблемой, в связи с этим формулируются требования к системам автоматизации крупных неоднородных объектов.

Многоуровневость функционально-технологической структуры объекта. Для решения крупной и сложной задачи, часто ее разбивают на совокупность более мелких и простых задач. Сложный объект автоматизации представляется совокупностью технологических подсистем, которые состоят из более мелких технологических функциональных узлов, а те из совокупности агрегатов и т.д. Определение количества уровней и их границ является несколько условным, но выделяют пять основных технологических уровней:

· предприятия;

· технологического объекта;

· технологических подсистем;

· технологических функциональных узлов;

· технологического оборудования внутри функционального узла.

Уровень функциональных узлов наиболее адекватен уровню контроллеров или контроллерных модулей в системе управления. Разбиение объекта на функциональные узлы основано на выделении отдельной технологической задачи, либо нескольких тесно связанных задач в единый узел. Следствием этого является то, что каждый функциональный узел достаточно автономен. Интенсивность его взаимодействия с остальной системой или другими узлами на порядки ниже, чем внутри его. Структура микропроцессорной системы управления, образованная связанными сетью автономными контроллерами, каждый из которых обслуживает свой функциональный узел, будет наиболее адекватной функционально- технологической структуре объекта и иметь минимальную интенсивность взаимосвязей между образующими ее элементами.

Повышенные требования по надежности. Для крупных объектов автоматизации традиционные меры по повышению надежности, связанные с применением качественных технических средств с большим временем наработки на отказ (более 100 тыс.часов), являются недостаточными. Характеристика времени наработки на отказ является статистической вероятностной величиной, поэтому при разработке архитектурных решений, повышающих надежность системы, необходимо исходить из того, что такой отказ всегда возможен. Также существуют общие принципы, вытекающие из методов повышения надежности любых систем:

- элементы и решения должны быть ортогональны;

- автономность иерархических уровней;

- минимальные размеры и простота прикладных программ – увеличение размеров программ ведет к экспоненциальному росту числа ошибок и сложности проверки правильности ее функционирования.

Быстрое восстановление функций.Вышедшая из строя функция должна быть восстановлена без влияния на остальную функционирующую часть системы, т.е. восстановление должно осуществляться в режиме " горячей" замены за минимальное время.

Повышенные требования к устойчивости функционирования, т.е.любая модификация части программ не должна вносить возмущения в остальные действующие программы, в которых не производятся модификации, то есть модификация одних не должна менять временные характеристики выполнения других программ, логики их функционирования, приоритетность выполнения и т.д. В противном случае наладка функционирования крупного объекта может превратиться в неразрешимую задачу.

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 121314 15 16 17 Следующая ⇒