Конспект

Государственный экзамен - Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Категория:

Конспект

Дисциплина:

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП)

Город:

Беларусь, Минск

Учебное заведение:

БНТУ, ФИТР

Стоимость работы:

бесплатный

Оценка: 10
Объем страниц: 54
Год сдачи: 2020
Дата публикации: 07.05.2021

Фрагменты для ознакомления

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

1  Общие принципы управления. 6

1.1      Система и её среда. Иерархия системы. 6

1.2      Классификация систем управления. 6

2  Общие сведения о технологических процессах. 10

2.1      Определение технологического процесса. 10

2.2      Классификация технологических процессов. 11

2.3      Технологический процесс как объект управления. 13

2.4      Назначение, цели и функции АСУТП.. 14

3  Разновидности АСУТП.. 18

3.1      АСУТП, функционирующие без использования вычислительных комплексов. 19

3.2      АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационно-вычислительные функции. 20

3.3      АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме советчика. 21

3.4      АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции централизованного управляющего устройства (супервизорное управление). 21

3.5      АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции непосредственного (прямого) цифрового управления. 22

4  Состав АСУТП.. 24

4.1      Программное и информационное обеспечение. 24

4.2      Понятие о программном обеспечении. 24

4.3      Состав программного обеспечения АСУТП.. 25

4.4      Проектирование и разработка СПО АСУТП.. 28

5  Архитектура АСУТП.. 31

5.1      Архитектура АСУТП.. 31

5.2      Архитектура Клиент-Сервер. 32

5.3      Масштабируемая архитектура. 33

5.4      Взаимодействие человека и машины в АСУТП.. 35

5.5      Взаимодействие человека и ЭВМ.. 37

6  Программная реализация систем управления. 40

6.1      Пользовательский интерфейс: SCADA-пакеты. 40

6.2      Функции SCADA. 41

6.3      Разработка человеко-машинного интерфейса. 41

6.4      SCADA как система диспетчерского управления. 41

6.5      SCADA как часть системы автоматического управления. 42

6.6      Хранение истории процесса. 42

6.7      Безопасность SCADA. 42

6.8      Общесистемные функции. 43

6.9      Свойства SCADA.. 43

6.10    Инструментальные свойства. 43

6.11    Эксплуатационные свойства. 44

6.12    Заключение. 45

6.13    Развитие программных средств автоматизации. 46

6.14    Разделение труда по созданию программных средств автоматизации. 46

6.15    Заказные и специализированные программные средства автоматизации. 47

6.16    Графическое программирование. 47

7  Устройства сопряжения с объектом. 49

7.1      Дискретные УСО.. 52

8  Программно-технические комплексы.. 55

 

1. Общие принципы управления

Система и её среда. Иерархия системы.

Система – совокупность взаимодействующих элементов, причём любая система представляет собой не просто набор элементов (хотя бы имеющих общий признак), а обладающих определённой целостностью, которая обеспечивается наличием связей и взаимодействием между её элементами. Система представляется как множество элементов, находящихся друг к другу в определённых отношениях.

Предполагается, что может существовать множество элементов, с которыми она взаимодействует, и это множество принято называть внешней средой.

Система, не имеющая внешней среды, называется изолированной.

Система, у которой есть внешняя среда, называется открытой.

Определяя объект как систему, обычно выделяют систему из внешней среды, указывая входные и выходные связи. Субъективность конфигурации системы проявляется и в том, что одну и ту же совокупность элементов допустимо рассматривать как систему, либо как часть более крупной системы, т.е. множество элементов системы можно разделить на ряд подмножеств.

Часть системы, образованная из элементов подмножеств, называют подсистемой, например, общая система S, образованная из элементов 1-7, которую можно разбить на подмножества А, B, C. В этом случае подсистему А можно рассматривать как систему, а подмножества B и C рассматриваются как внешняя среда. Если пользователя не интересует структура множеств А, В и С, в этом случае система упрощается до трёх элементов.

Существует иерархия подсистем, в которой элементами подсистем i-того уровня являются системы (i-1) уровня, например, предприятие, цех, участок, бригада. Если элементы связи системы А и В находятся во взаимно однозначном соответствии, то эти системы изоморфны. Система В называется гомоморфной, если каждой связи или элементу системы А соответствует определённый элемент или связь с системой В.

  1. Классификация систем управления

Системы управления классифицируют по следующим признакам:

  1. Степени автоматизации функций управления.
  2. Степени сложности.
  3. Степени определённости.
  4. Типы объектов управления.

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают: ручное, автоматизированное, автоматическое управление;

По степени сложности: простые и сложные.

Сложные системы имеют следующие важные особенности:

  1. Число параметров, которыми описывается сложная система, весьма велико, многие из этих параметров не поддаются количественному описанию и измерению.
  2. Целеуправление не поддаётся формальному описанию без существенного упрощения.
  3. Трудно или даже невозможно дать строгое формальное описание сложной системы управления.

По степени определённости: 

  1. Вероятностные (стохастические) – в такой системе на основе её предыдущего состояния и дополнительной информации можно предсказать лишь множества будущих состояний и определить вероятность каждого из них. Примеры: простая вероятностная – системы контроля и качества продукции, сложная вероятностная – производственное предприятие.
  2. Детерминированные – в такой системе по её предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно вполне определённо предсказать её последующее состояние. Примеры: простая детерминированная – автопилот, главный гироскоп, сложная детерминированная – ЭВМ.

По виду объекта управления АСУ делят на АСУТП (технологическими процессами), АСУП (предприятием), САПР (автоматизированного проектирования), АСНИ (автоматизированные системы научных исследований), ГИС (географическая информационная система).

АСУТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами, имеющие два или три уровня и выполняющая следующие функции:

  1. сбор информации;
  2. поддержание технологических параметров на заданных значениях;
  3. контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняются функции управления;
  4. сигнализация;
  5. блокировка управлений, являющаяся результатом ошибочных действий персонала;
  6. противоаварийная защита, возникающая при аварийных ситуациях.

Упрощённая структура АСУТП.

Рисунок.

ПиУП – планирование и управление предприятием.

ИПП – измеряемые параметры процесса.

УВ – управляющее воздействие.

ПП – параметры процесса.

Н,У – настройки, уставки.

ИоСП – информации о состоянии процесса.

ТЭП – технико-экономические показатели.

ПП – производственный план.

Нижний уровень АСУТП (ТП) – уровень датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразование их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также приёме управляющих сигналов и выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).

Задачей уровня является сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса, выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменении их по определённым законам, сигнализация о выходе их (параметров) за заданные пределы, блокировка ошибочных действий персонала и управляющих воздействий, противоаварийная защита (ПАЗ).

Подсистемы этого уровня поддерживают параметры ТП на заданных значения и могут быть реализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами.

Второй (средний) уровень – уровень производственного участка цеха. Его функции:

  • сбор информации, поступающей с нижнего уровня, её обработка и хранение;
  • выработка управляющих сигналов на основе анализа информации;
  • передача информации о производственном участке на более высокий уровень;
  • вычисление не измеряемых параметров, например, показателей качества продуктов и технико-экономические показатели;
  • сведение материальных балансов;
  • архивирование информации;
  • генерация отчётов;
  • диагностика и защита от сбоев элементов подсистемы нижнего уровня;
  • определение настроек управляющих устройств и уставок локальных регуляторов подсистем первого уровня.
  • изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение-выключение, переход в ручное управление и т.д.);

На данном уровне производится оптимизация технологических процессов по технологическим показателям.

Третий (верхний) уровень – занимает так называемый уровень управления и относится к системе управления предприятием (АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим показателям, этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление и обработку, выдачу руководящих директив высшим уровням.

Задачи управления:

  • Оптимизация экономических показателей производства;
  • Управление по экономическим и технико-экономическим показателям;
  • Сведение материальных балансов;
  • Архивирование информации;
  • Составление производственных планов;

Для некоторых объектов задачи второго и третьего уровней перекрываются и эти два уровня объединяются в один.

 

2. Общие сведения о технологических процессах

  1. Определение технологического процесса

Для АСУТП управляемым объектом является так называемый технологический объект управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нём по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства целевого продукта.

ТОУ подчёркивает с одной стороны единство процесса и оборудования, а с другой – законченность преобразования входных ресурсов в конечный продукт.

Управляя ТОУ АСУТП воздействует непосредственно на те или иные элементы оборудования (клапаны, задвижки, заслонки) и интенсивность этих управляющих воздействий во время эксплуатации выбирают так, что реализуемый в технологическом оборудовании процесс переработки материальных и энергетических потоков осуществлялся наиболее целесообразным образом. При разработке АСУТП важно правильно выделить объект управления из общей производственно-технологической структуры предприятия.

В качестве ТОУ могут рассматриваться:

  • технологические агрегаты и установки;
  • отдельное производство, реализующее самостоятельный и 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 взаимосвязанных агрегатов, участков и производств;

Все современные процессы производства должны выполняться в соответствии с определёнными инструкциями, правилами и регламентами нормами, выбором которых занимаются технологи. Соответственно, процессы превращения исходных материалов (сырья, полуфабрикатов, заготовок, энергоносителей и т.д.) в готовую продукцию называют технологическими процессами. Осуществление любого технологического процесса в материальном производстве требует выполнения определённых действий по управлению им, т.е. по изменению хода процесса в желаемом направлении, и поэтому технологические процессы производства могут и должны рассматриваться как управляемые объекты.

Производственный процесс в целом и в каждой отдельной фазе представляет собой совокупность взаимосвязанных частичных процессов – вспомогательных, обслуживающих и основных.

К вспомогательным процессам относят изготовление инструмента, ремонт оборудования, производства, тепло и энергоресурсов, сжатого воздуха и так далее.

К обслуживающим процессам относятся технический контроль качества продукции, транспортное обслуживание, складирование предметов труда и производства.

Основную часть производственного процесса составляют технологические процессы. Технологический процесс определяет изменение форм, размеров, физико-химических свойств предметов труда. Для целей организации и нормирования труда технологический процесс расчленяют на операции.

Операция – часть технологического процесса, выполняемый над определённым предметом труда на одном рабочем месте одним или группой рабочих. По технологическим признакам операции расчленяются на установки, переходы и проходы.

Установкой называется часть операции, выполняемая при неизменном положении предметов труда.

Переходом называется часть операции, выполняемая над изменением одного или одновременно несколькими свойствами предмета труда одним или одновременно несколькими инструментами при неизменном режиме работы оборудования.

Проход – часть перехода, при котором изменяются свойства предмета труда без смены инструмента и изменения режима обработки.

Разнообразие технологического процесса обусловлено следующими основными факторами:

  1. Видом используемого сырья.
  2. Формой и количеством необходимого энергоресурса.
  3. Количеством стадий (операций) преобразования сырья.
  4. Временными характеристиками операций процесса.
  5. Видом готовой продукции.
  6. Классификация технологических процессов

По характеру протекания ТП (технологические процессы) делятся на:

  • непрерывные;
  • периодические;
  • дискретные.

Непрерывным называется процесс, в котором конечный продукт обрабатывается пока подводится сырьё, энергия, управляющее воздействие и т.д. – например, процессы нефтепереработки.

Периодическим называется ТП, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определённое ограниченное количество конечного продукта, при этом в течение отведенного промежутка периодический процесс является непрерывным – например, доменный процесс.

Дискретным называется ТП, в котором готовый продукт вырабатывается за определённые промежутки времени и который можно остановить и продолжить с любой технологической операции без снижения заданного уровня качества – например, сборка на конвейере.

В общем случае необходимость управления ТП диктуется следующими факторами:

  1. Для обеспечения качества готового продукта состав и количество входных компонентов должны поддерживаться на заданном уровне.
  2. Износ орудий труда и переменный состав сырья требует непрерывного изменения (подстройки) параметров ТП.
  3. Пуск и остановка некоторых ТП требует выполнения специфических точно синхронизированных операций и др.

Характерной особенностью современных ТП является то, что управление ими занимает нижний уровень в иерархической системе автоматизированного управления производством. Чем ниже уровень управления системы, тем выше должны быть темпы её разработки и внедрения. Это невозможно достичь без разработки автоматизированных систем (АСУТП).

Методологической основой создания АСУТП является системный подход, обеспечивающий комплексное решение задач наилучшего управления ТП. Необходимость системного подхода диктуется тем, что современные ТП являются сложными объектами управления с большим числом входной и выходной информации, а недостаточность априорной информации о закономерностях протекания ТП создают значительные трудности при создании адекватных моделей ТП.

Ведение ТП должно удовлетворять зачастую противоречивым требованиям к качеству готовой продукции и производительности установки. Качество продукции определяется в первую очередь качеством сырья, заготовки, инструмента, режимом обработки. Производительность установки определяется простоями оборудования, потерями времени при переходе от одного вида продукции к другому, потери на плановые и аварийные ремонты, а также режимом работы самого оборудования. Поскольку качество и производительность взаимосвязаны, то и системы управления ими не могут быть автономными. Система управления качеством организуется на каждой технологической операции, должна быть оперативной и работать в реальном режиме времени. Система управления производительностью состоит из систем управления режимами технологических операций, управления транспортными операциями и межоперационными запасами.

Место АСУТП в составе АСУ производственных процессов иллюстрирует рисунок.

  1. Технологический процесс как объект управления

Для представления технологического процесса как объекта управления используется язык теории управления. В простейшем случае ТП представляется в виде одномерного объекта (а), на входе которого действует переменная x(t), характеризующее какое-либо свойство сырья, на выходе имеем переменную y(t), характеризующую какое-либо свойство готового продукта.

В общем случае ТП представляется в виде многомерного объекта (рисунок б), на входе которого действует переменная X(t), с составляющими x1(t). К этим переменным относятся все свойства сырья или заготовок (химический состав, размеры, механические свойства и т.д.).

Параметры процесса, характеризующие условия протекания (температура, давление, число оборотов и т.д.) описывается переменной Z(t) с составляющими Z1..Zn. Выходные переменные описываются вектором Y(t) с составляющими Y1..Yn(t) – это характеристики готового продукта. Размеры, количество, стоимость и т.д.

Размерность векторов X, Y, Z обычно велика для обычных процессов и все их учесть практически невозможно, поэтому они рассматриваются как случайная функция, при этом X(t), Y(t), Z(t) рассматриваются как причины и их объединяют в группу входных переменных.

Здесь случайная функция X(t) с составляющими X1..Xn включают как измеряемые, так и неизмеряемые переменные. Часть из них являются управляющими, а неуправляемые переменные называются шумами. Задача систем управления состоит в компенсации действий этих шумов (возмущений).

x­­1(t)..x­p(t) – измеряемые входные переменные.

(n-p) входных переменных рассматривается как шум, приложенный к выходу.

В качестве общей динамической характеристики ТП принимается оператор, ставящий в соответствие входные и выходные функции. Для описания объекта 1.1.3. требуется операторов Ai (i = 1,2,3…)

Конкретное выражение операторов А зависит от выбранного вида ТП – это может быть система линейных уравнений, система обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнений условных функций плотности или функций распределения.

В зависимости от способа представления оператора и входных и выходных переменных обычно и производится классификация процессов. Входные и выходные переменные могут рассматриваться как детерминированное или случайное.

Модель процесса называется детерминированной, если её оператор детерминирован.

Модель процесса называется стохастической, если её оператор является случайным.

Сложный ТП представляется в виде последовательности (цепочек) технологических операций. ТП как последовательность операций может быть представлен следующими способами.

  1. Назначение, цели и функции АСУТП

Назначение АСУТП определяется как целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и вышестоящих систем управления необходимой информацией. 

Создание и функционирование каждой АСУТП должно быть направлено на получение вполне определённых технико-экономических результатов (снижение себестоимости продукции, уменьшение потерь, повышение производительности труда, улучшение условий труда, повышение качества целевых продуктов и т.д.)

Такими основными целями для промышленных технологических объектов могут служить: 

  1. Обеспечение безопасности его функционирования
  2. Стабилизация параметров входных потоков
  3. Получение заданных параметров выходных потоков и получаемых продуктов
  4. Оптимизация режима работы объекта
  5. Согласование режимов работы оборудования 

Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью критерия управления … и принимающего числовые значения в зависимости от вырабатываемого 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 разности стоимости получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и прочих затрат. Оптимальным будет такое управление процессом, которое позволяет добиться максимального значения этой разницы.

Не менее важную роль играют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющих устройств.

Ограничения бывают:

  1. Физические, которые не могут быть нарушены, даже при неправильном выборе управляющего воздействия
  2. Условные, которые могут быть нарушены, но нарушения могут привести к ущербу. 

При управлении часто наиболее существенные факторы учитываются именно ограничениями, а не критериями. 

Как правило общий критерий экономической эффективности управления ТП не применим из-за сложности определения необходимых количественных зависимостей в конкретных условиях, в таких случаях формируют частный критерий оптимальности, учитывающий специфику управляющего объекта и дополненного условными ограничениями. 

Такими частными критериями являются:

  1. Максимальная производительность агрегата при определённых требованиях к качеству продукции, условиях эксплуатации и т.д.
  2. Минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объёме и заданного качества
  3. Минимальный расход некоторых компонентов 

Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимального) хода ТП в СУ необходимо выполнять множество взаимосвязанных действий:

  1. Собирать и анализировать информацию о состоянии процесса
  2. Регистрировать значения одних переменных, стабилизировать другие
  3. Принимать и реализовывать соответствующие решения по управлению 

Именно эта деятельность СУ и является функционированием.

Функции АСУТП – это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления, при этом в качестве действий рассматриваются заранее предопределённое и описанное в эксплуатационной документации процедур, выполняемых частями системы.

Функции АСТУП как человеко-машинной системы следует отличать от функций, выполняемых комплексом технических средств системы (в том числе и средствами вычислительной техники).

Различают информационные, управляющие и вспомогательные функции.

Информационные функции – функции АСУТП, результатом выполнения которых является представление оператору системы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе ТП. Характерными примерами информационных функций являются: 

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

2. Изменение и регистрации по вызову оператора тех периметров процесса, которые его интересуют в ходе управления.

3. Информирования оператора (по его запросу) о ситуации на том или ином участке ОУ в данный момент.

4. Фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса.

5. Вычисление по вызову оператора некоторых комплексных показателей, неподдающихся непосредственному измерению и характеризующих качество продукции

6. Вычисление достигнутых технико-экономических показателей работы технологического объекта, периодическая регистрация измеряемых параметров и вычисляемых показателей

7. Обнаружение и сигнализация наступления опасных (предаварийный, аварийный) ситуаций.

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

Управляющие функции АСУТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на ОУ.

Выработка – определение (на основании полученной информации) рациональных воздействий. 

Реализация – действие, обеспечивающее осуществление принятых после выработки решений.

К основным управляющим функциям относятся:

  1. Стабилизации ТП на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства
  2. Защита оборудования от аварий
  3. Формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима оптимального по экономическому или технологическому критерию.
  4. Распределение материальных потоков и нагрузок между технологическими агрегатами
  5. Управление пусками или остановами агрегатов

Перечень всех функций и выполняемых конкретно АСУТП характеризует внешние потребительские возможности данной системы. Чтобы раскрыть ее внутреннее строение обычно пользуются понятиями функциональной, технической и организационной структур АСУТП. Каждая из этих структур представляет собой определённый аспект системы, в котором проявляется та или иная грань ее внутреннего строения. 

Вспомогательные функции – это функции, обеспечивающие решения внутри системных задач, они имеют потребителя внутри системы, например контроль за функционированием и состоянием технических средств, контроль за хранением информации и т.д.

3. Разновидности АСУТП

Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам.

В зависимости от поставленных целей необходимо пользоваться различными классификационными признаками или их разными сочетаниями. Классификация АСУТП может использоваться в основном с целями:

  • выбора систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП;
  • оценки необходимых ресурсов при укрупнённом планировании работ по созданию АСУТП;
  • определения качества (научно-технического уровня) АСУТП;
  • определения капиталоёмкости АСУТП в условных единицах.

К основным классификационным признакам АСУТП относятся:

  • уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;
  • характер протекания технологического процесса во времени;
  • показатель условной информационной мощности;
  • уровень функциональной надёжности;
  • тип функционирования АСУТП.

По уровню, занимаемому в структуре предприятия, АСУТП классифицируется:

  1. АСУТП нижнего уровня – технологические агрегаты, установки, участки.
  2. Верхнего уровня – группы установок, цехи, производства; не включают АСУТП нижнего уровня.
  3. Многоуровневые – то же, что в классе 2, но включая АСУТП нижнего уровня.

Цели автоматизации

НаучныеТехническиеЭкономическиеСоциальные
  1. Повышение эффективности и качества научных результатов за счет более полного исследования моделей.
  2. Повышение точности и достоверности результатов за счет оптимизации эксперимента.
  3. Получение качественно новых научных результатов, невозможных без ЭВМ.
  1. Повышение качества про-дукции за счет повторяемости операций, увеличения числа измерений и получения более полных данных о свойствах изделий.
  2. Повышение надежности изделий за счет получения более полных данных о процессах старения и их предшественниках.
  1. Экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины.
  2. Сокращение затрат в промыш-ленности за счет уменьшения трудо-емкости работ.
  3. Повышение производительности труда на основе оптимального распределения работ между человеком и машиной и ликвидации неполной загрузки при эпизодическом обслуживании объекта.
  1. Повышение интеллектуально-го потенциала за счет поручения рутинных опера-ций машине.
  2. Ликвидация случаев занятости персонала операций в нежелательных условиях.
  3. Освобождение человека от тяжелого физического труда и использование сэкономленного времени для удовлетворения духовных потребностей.

Характер протекания управляемого ТП определяется непрерывностью (или дискретностью) поступления сырья и реагентов, наличием (или отсутствием) длительных установившихся и переходных режимов функционирования ТОУ, наличием и длительностью дискретных операций по переработке входных потоков материалов. По этому признаку АСУТП классифицируются в соответствии с таблицей 2.

Условная информационная мощность ТОУ характеризуется числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых в данной АСУТП. В зависимости от значения этого показателя АСУТП подразделяются на классы. Таблица 3.

Требуемый (или достигнутый) уровень функциональной надёжности АСУТП решающим образом влияет на структуру и многие технические характеристики системы, а также на реальные значения показателей её эффективности.

Укрупнённая классификация АСУТП по уровню функциональной надёжности приведена в таблице 4.

Тип функционирования АСУТП приближённо характеризуется совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы.

  1. АСУТП, функционирующие без использования вычислительных комплексов.

Подобные человеко-машинные системы обычно применяются для управления отдельными относительно простыми технологическими агрегатами, установками или группами аппаратов (участков). В общей структуре управления производством такие системы занимают нижние ступени иерархии, и поэтому они характеризуются сравнительно малой зависимостью от других ступеней иерархии и наибольшей оперативностью контроля и управления. Основные функции этих систем управления:

  • контроль параметров ТП;
  • стабилизация ТП на заданном уровне (режиме), определяемом регламентом производства;
  • программное управление, включая пуск и останов процесса;
  • защита оборудования от аварий;
  • оперативная связь со старшими ступенями управления.

Эти системы были исторически первой областью, в которой начали применяться автоматические устройства.

Задачи планирования (верхний уровень управления) и координации (средний уровень управления) в большинстве случаев решается людьми без применения непосредственно связанных с объектом технических средств автоматизации. Задачи же автоматического контроля и стабилизации различных параметров технологических процессов успешно решается с помощью автономных специализированных технических средств. Практически вся информация о состоянии объекта управления вводится в такую систему автоматических датчиков, а управляющее воздействие поступают от системы непосредственно на исполнительное устройство, при этом сбор информации и формирование управляющих воздействий обычно производится либо непрерывно, либо с достаточной частотой, которая определяется темпом технологического процесса. Обычно такие автоматизированные системы включают несколько основных подсистем (функционально-аппаратных частей) и, в частности:

  • подсистему автоматического регулирования;
  • подсистему дистанционного управления;
  • подсистему защиты и другие.

Назначение подсистемы автоматического регулирования – поддерживать заданную производительность (мощность установки) и стабилизировать технологические параметры на заданном уровне.

Назначение подсистемы дистанционного управления – передача воздействия оператора на исполнительное устройство, удалённое от центрального пульта управления.

Назначение подсистемы защиты – предотвращение возникновения и развития аварий, кроме того, эта система должна защищать установки от:

  • повреждений при выходе из строя отдельных элементов оборудования;
  • отказов и ложных действий систем регулирования;
  • ошибочных действий оператора.

Данные системы хотя и не содержат в своём составе вычислительного комплекса, однако являются достаточно представительным и распространённым видом АСУТП.

  1. АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационно-вычислительные функции.

Системы этого вида содержат все функциональные и аппаратные элементы, присущие предыдущим системам. Отличие заключается в наличии вычислительного комплекса, который выполняет функции централизованного контроля, вычисление комплексных технических и технико-экономических показателей, а также контроль работы состояния оборудования. Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию о состоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах. Характерные особенности систем этого вида является то, что задача анализа поступающей информации, принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий, как и в системах предыдущего вида, возлагается на оператора. Данные об объекте управления, кроме вывода на средства отображения информации для оператора, могут передаваться в вышестоящую АСУ для дальнейшей обработки либо выводиться на внешние накопители. Целью сбора данных могут быть изучение технологического процесса при различных условиях. Накопленная информация позволяет построить или уточнить математическую модель процесса, которой нужно управлять.

  1. АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме советчика.

Структурная схема такой АСУ аналогична предыдущей, однако кроме выполняемых там функций, на вычислительный комплекс возлагают задачу анализа поступающей информации и поиск оптимальных решений. Эти решения в виде рекомендаций по управлению (советов) выдаётся оператору-технологу. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остаётся за оператором. Число входных переменных в этих системах (работающих в режиме советчика) обычно находится в пределах от 10 до 100. Число управляемых переменных сигналов задания контуров автоматического регулирования, для которых выполняется вычисление новых значений, сравнительно невелико, что обусловлено тем, что оператору самому приходится изменять эти задания. Таким образом, одним из серьёзных недостатков рассматриваемых систем управления является наличие ограничений, связанных с участием человека.

Однако системы этого типа имеют ряд преимуществ: они удовлетворяют требованиям осторожного подхода к новых способам управления и поэтому используются достаточно часто. Применение вычислительных комплексов в режиме советчика обеспечивает также хорошие возможности для проверки новых моделей и алгоритмов управления технологическими процессами.

  1. АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции централизованного управляющего устройства (супервизорное управление).

Характерная особенность таких систем управления состоит в том, что вычислительный комплекс включён в замкнутый контур автоматического управления и вырабатывает управляющее воздействие, которое поступает как сигналы изменения задания локальным системам автоматического регулирования. Этот режим существенно отличается от режима работы советчика, при котором все изменения в управлении вносит оператор. Основная задача супервизорного управления – автоматическое поддержание технологического процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Это выполняется путём оперативного воздействия на технологический процесс. В этом и заключается одно из преимуществ автоматизированной системы данного вида. Так как в таких системах контур управления замкнут через вычислительный комплекс, то функции оператора сводятся к общему наблюдению за ходом процесса. Вмешательство человека необходимо только при возникновении редких и непредвиденных ситуаций, например, аварийных. За оператором остаётся необходимость вносить коррективы в управление процессом при возникающих изменениях, например, качество сырья.

  1. АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции непосредственного (прямого) цифрового управления.

Основное различие состоит в принципах использования вычислительного комплекса. В системе, в которой вычислительный комплекс выполняет роль советчика-оператора, не осуществляется прямое управление процессом от ЭВМ и изменение задания отдельным контурам управления осуществляется оператором. Супервизорное управление тоже не является прямым, задание локальным системам регулирования изменяется от ЭВМ, но команда на исполнительное устройство поступает от регуляторов. В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) управляющее воздействие управляется непосредственно ЭВМ и передаётся на исполнительное устройство, соответствующий регулятор либо вообще исключается из системы, либо используется как резервный. Концепция НЦУ заменяет совокупность локальных систем регулирования на вычислительном комплексе. Вместо того, чтобы рассчитывать изменение заданий (уставок), требуемых для оптимальной работы технологического объекта, как при супервизорном управлении, вычислительный комплекс сам рассчитывает требуемое значение управляющих воздействий и передаётся от источника сигнала на исполнительное устройство и это делается для каждого контура управления. Число таких контуров может составлять от единиц до нескольких сотен в зависимости от типа процесса. Даже при наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные процессы, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки алгоритмов управления отдельных контуров и вообще иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения всего этого оператор должен иметь полный и удобный интерфейс «человек-машина».

Одно из главных преимуществ применения АСУТП в режиме НЦУ – возможность изменения алгоритмов управления каждым контуром простым выбором нового алгоритма из набора, имеющегося в библиотеке системы алгоритмов.

Управляющее воздействие, которое формирует АСУ непрерывными технологическими процессами в автоматическом режиме должны обеспечивать поддержание заранее заданных значений технологических переменных или достижения таких их значений, которые будут вычислены как оптимальные. При построении систем регулирования в АСУТП применяют два основных принципа регулирования:

  • по отклонению;
  • по возмущению.

При управлении по возмущению модель объекта хранится в ЭВМ и по этой модели вычисляются управляющие воздействия, которые компенсируют на действующий объект возмущения. Прямое управление от ЭВМ позволяет реализовать не только оптимизирующие функции, но операции, необходимые в режимах пуска и останова.

4. Состав АСУТП

Состав и строение любой конкретной АСУТП выбираются так, чтобы система соответствовала общим требованиям, содержащимся в техническом задании на её создании.

  1. Программное и информационное обеспечение.

Если математическое обеспечение АСУТП фиксирует идейные аспекты организации управления, то программное и информационное обеспечение представляет собой конкретную реализацию комплексно-машинных алгоритмов функционирования системы управления. Программное обеспечение охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ ЭВМ, а информационное обеспечение обеспечивает способы и конкретные формы информационного отражения конкретного объекта управления, как в виде данных в ЭВМ, так и в виде документов, графиков, сигналов для их представления специалистам, участвующим в управлении технологическими процессами.

  1. Понятие о программном обеспечении

Обычно при описании принципиальной схемы и функционирования ЭВМ выделяют различные блоки аппаратуры и программное обеспечение, однако для логического представления ЭВМ это деление не конструктивно, так как в разных моделях ЭВМ одни и те же функции могут быть реализованы или в виде схемных (аппаратурных) узлов или в виде программ. На логическом уровне целесообразно выделить три части:

  • устройства исполнения программ;
  • программы;
  • данные.

Устройства исполнения программ последовательно выполняет одну программу за другой, эти команды заставляют вводить данные с устройств ввода (датчики параметров технологических процессов, клавиатура и т.д.), ввести заданное преобразование данных и осуществлять их вывод на разнообразные устройства (символьные регистрации, исполнительные механизмы, дисплеи и т.д.). Для описания последовательности команд используются специальные языки, называемые языками программирования. Та часть ЭВМ, которая условно отнесена к программам, содержит наборы команд, описывающих последовательность действий над данными для достижения некоторых целей, т.е. программа – последовательность команд, которые необходимо выполнить для реализации заданного алгоритма обработки данных. Если программа реализует некоторую функцию АСУТП, то такую программу называют функциональной.

Первой важной чертой функциональных программ АСУТП является то, что для каждой программы существует регламент её исполнения. Он может включать один или несколько из режимов исполнения программы:

  1. Периодичность включения программ через некоторый временный интервал.
  2. Включение программы в заданное время суток.
  3. Включение программы по требованию другой программы.
  4. Включение программы по требованию оператора.

Например: в заданное время суток (00:00:00) включается программа, рассчитывающая технико-экономические показатели цеха (или установки) за прошедшие сутки; по требованию оператора включается программа, осуществляющая пуск или останов агрегата.

Второй характерной чертой АСУТП является их массовость и многочисленность. В работе системы могут участвовать до 100 и более программ, т.к. включение в работу каждой программы должно осуществляться строго по своему регламенту, могут встречаться ситуации, когда одновременно несколько программ будут требовать своего исполнения. Аппаратурные возможности современных ЭВМ этого не позволяют, поэтому устройства исполнения программ должно уметь последовательно выполнить все программы, ожидающие исполнения, причём в соответствии с важностью (приоритетом) программ в первую очередь оно должно исполнять те программы, которые в данный момент главнее.

Третьей особенностью АСУТП является то, что для их хранения используется несколько видов памяти: ПЗУ, ОЗУ, магнитные диски, флэш-карты и т.п. и их отличие заключается в том, что устройства исполнения программ затрачивают существенно разное время на исполнение программ, хранящихся в запоминающих устройствах данных видов.

  1. Состав программного обеспечения АСУТП

Укрупнённая схема программного обеспечения АСУТП приведена на данном рисунке.

Основными элементами этой схемы являются программы и данные. На устройства исполнения программ кроме, собственно, выполнения команд, возлагается, во-первых, задачи, связанные с исполнением большого числа программ по разнообразному регламенту, и, во-вторых, функции подготовки данных к обработке. Указанные функции в большинстве современных систем реализованы программно, а не аппаратно, и представляет собой часть программного обеспечения АСУТП. Одну часть программного обеспечения можно назвать управлением программами, а вторую – управление данными. В документации на программное обеспечение ЭВМ понятию управления программами соответствует термин «операционная система». Функции реальных операционных систем шире, чем собственно управление программами.

Основные режимы взаимодействия ОС с программами показаны на рисунке 3.

Так как операционная система управляет исполнением всей совокупности программ, то взаимодействие программ между собой осуществляется только через посредника – операционную систему.

Понятие «управление данными» в современных ЭВМ соответствует программное обеспечение, именуемое системой управления базой данных или СУБД. Основной задачей СУБД является организация хранения данных в устройствах памяти нескольких видов и выдача функциональным программам данных в той форме, в какой они нужны для обработки.

Обычно СУБД, как и операционная система, обладает набором функций, которыми можно воспользоваться, обращаясь к СУБД из программы или с пульта оператора. Типичными функциями являются: объявить существование элемента данных, сообщить его имя и технические характеристики, позволяющие СУБД отвести для него место, сообщить элемент по его имени, изменить значение элемента, узнать характеристики элемента данных, тип, место хранения.

Ещё одной частью ПО АСУТП являются программы, обслуживающие связь людей с операционной системой и с данными. Этот раздел ПО имеет большое значение в АСУТП, так как в работе системы управления принимает участие человек. Так как в АСУТП взаимодействуют люди разных специальностей и разного уровня знаний, то программа связи операторов с операционной системой с данными предъявляются разнообразные требования удобства общения человека с ЭВМ.

В настоящее время принята классификация по АСУТП, в которой программные элементы делятся на два класса: общее ПО и специальное ПО.

Общее ПО – часть ПО системы, представляющее собой совокупность программ, необходимых для функционирования вычислительного комплекса вне зависимости от данной АСУ и выполняемой ей функций. К этой группе относятся:

  • программа-диспетчер, оперативно координирующая работу отдельных программ и устройств вычислительного комплекса, организующий очереди разных программ и устройств;
  • программы управления отдельными устройствами вычислительного комплекса;
  • служебные программы, например, для формирования таблиц и печати результатов расчётов;
  • стандартные программы для вычисления часто встречающихся функций;
  • трансляторы с алгоритмических языков;
  • тесты для проверки исправности вычислительного комплекса;
  • локализации мест повреждения и др.

Общие ПО обычно поставляются в комплекте вычислительной техники.

Специальное ПО (СПО) – часть её программного обеспечения, разрабатываемое при создании системы и включающие в себя программы реализации информационных и вспомогательных функций (обеспечение заданного функционирования технических средств системы), проверка правильности ввода информации, контроль за работой системы и тому подобное. Оно разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения и при этом к СПО АСУТП обычно предъявляют следующие требования:

  • СПО должно быть достаточно для выполнения всех функций, реализуемых с участием всех программируемых средств вычислительной техники;
  • должна быть обеспечена возможность расширения программного обеспечения с учётом развития АСУТП в пределах, предусмотренных техническим заданием и системой;
  • ПО должно предусматривать необходимый контроль информации, источником которой является технологический объект управления и оперативный персонал АСУТП;

СПО содержит следующие функциональные программы:

  • вычисление управляющих воздействий, реализующих тот или иной закон регулирования;
  • обнаружение выхода параметров за допустимые пределы;
  • сглаживание (фильтрация) показаний датчиков;
  • вычисление технико-экономических показателей техники и агрегатов;
  • определений опасных (аварийных, предаварийных) ситуаций на объекте управления;
  • оптимизация технологического процесса;
  • оперативная коррекция плана производства;
  • прогнозирующий расчёт протекания технологического процесса при тех или иных предлагаемых управляющих воздействиях.
  1. Проектирование и разработка СПО АСУТП

Работа по созданию СПО АСУТП является продолжением и развитием работ по алгоритмизации. Разработанная алгоритмическая структура АСУТП – блок-схема алгоритмов – и собственно алгоритмы выполнения функций служат исходными данными для разработки СПО. При разработке СПО необходимо решить два круга вопросов.

Первый из них связан со структуризацией будущего программного комплекса, т.е. переходом от алгоритмической структуры к структуре комплексов программ, это означает, что необходимо принять решение о составе программ и их взаимодействии.

Второй – с организацией взаимодействия программ, которые могут взаимодействовать в двух аспектах: одна программа может инициировать работу другой программы и/или между программами может иметь место обмен данными.

Схема изготовления программного обеспечения АСУТП

В соответствии с требованиями, предъявляемыми в конкретной системе управления к составу устройства ЭВМ и регламенту выполнения программ при проектировании АСУТП выбирается та или иная операционная система из множества возможных.

Полная унификация СУБД для АСУТП в настоящее время не завершена. Наряду с использованием СУБД, имеющихся в составе ПО ЭВМ в отдельных объектах или группах объектов продолжаются разработки индивидуальных СУБД. По-видимому, в ближайшие годы будет создан набор СУБД, позволяющий сократить индивидуальные разработки и использовать в большинстве случаев готовые решения.

Функциональные программы – часть ПО АСУТП в настоящее время наименее унифицирована, работы в этом направлении ведутся очень интенсивно, и сейчас создаются средства автоматизированной генерации (компоновки) функциональных программ. В процессе разработки и изготовления СПО АСУТП является очень трудоёмким и ответственным и в этом процессе широко используются возможности ЭВМ для автоматизации отдельных этапов управления.

Наличие трансляторов позволяет вести программирование отдельных модулей на том или ином языке программирования. Программа генерации операционной системы позволяет скомпоновать (обеспечить) для конкретного объекта нужный набор функций операционной системы, имеются также средства генераций функциональных программ из отдельных модулей и генерации баз данных.

Работа по генерации ОС функциональных программ и базы данных выполняются вне реального времени, т.е. на этапе разработки и изготовления ПО АСУТП. Их может выполнять сторонняя организация. Та ЭВМ, на которой они выполняются, называется инструментальной в отличии от объектной, которая работает в два этапа. На первом этапе создаётся необходимый набор программных модулей, а на втором – осуществляется сборка (компоновка) функциональных программ из модулей. Для изготовления модулей используются языки программирования. Для составления инструкций на генерацию функциональных программ из модуля используют специальные языки, и разработчики стремятся, чтобы этими языками могли воспользоваться не только программисты, но и специалисты по автоматизации производственных процессов. Работа по формированию базы данных включает в себя этапы проектирования структуры базы данных, форм входных документов, заполнение бланков, контроль данных и их загрузку в ЭВМ.

5. Архитектура АСУТП

Основные задачи, которые должны решать инженеры АСУТП на предприятиях состоят не только в том, чтобы добиваться максимальной производительности при минимальной стоимости системы, но и заложить основы расширения системы в будущем для удовлетворения возрастающих требований предприятий. Это возможно лишь в том случае, когда архитектура АСУТП является масштабируемой.

  1. Архитектура АСУТП

В прошлом приходилось выбирать между двумя взаимоисключающими архитектурами: централизованной и распределённой, ин одна из которых не может удовлетворять потребностям современного предприятия.

В начале 80-х годов централизованная архитектура приобрела популярность, поскольку один большой компьютер мог осуществлять всё управление производственным процессом и хранить данные в единой базе данных. 

Рис. 1 Централизованная архитектура

Все операторы в такой системе имели одинаковый доступ к данным, поскольку они хранились в одном месте и только один компьютер нуждался в обновлении при изменении требований производственного процесса. Однако эта архитектура имеет ряд недостатков: начальные инвестиции слишком высоки для небольших приложений, фиксированная ёмкость системы не допускает расширения предприятия при изменении конфигурации, резервирование может быть достигнуто только дублированием всей системы в целом, следующие требования технической квалификации персонала очень высоки.

Рис. 2 Распределённая архитектура

При полностью распределённой архитектуре популярной в начале 90-х годов задачи управления и сбора данных выполняются на нескольких небольших ПК. Каждый компьютер решает собственную задачу и работает со своей базой данных (БД), как показано на рисунке. 

Распределённая система является весьма гибкой при малой величине начальных инвестиций, требования квалификации операторов невысоки и специализированное обучение требуется в ограниченном объёме, резервирование может осуществляться выборочно. Такая система решает проблемы присущие централизованным архитектурам управления, однако и она имеет свои недостатки. Обработка данных происходит на каждом компьютере, что приводит к крайне неэффективному использованию вычислительной силы и отсутствует оптимизация запросов к данным производства – если два оператора запрашивают одни и те же сведения – запрос повторяется дважды. 

Преимущества централизованной архитектуры являются недостатками определённой и наоборот. 

Принципиальный подход к построению АСУТП осуществила фирма CiTechnologies, предложившая проект Citect для Windows предлагает инновационный подход в реализации системной архитектуры, использующая лучшие свойства централизованной и распределённой обработки данных. Архитектура Citec является инновационной по отношению не только к АСУТП, но и распространяется и на другие приложения, работающими с распределёнными ресурсами, объединёнными в сеть. 

  1. Архитектура Клиент-Сервер

По способу организации взаимодействия компьютеров выделяют сети: одноранговые и с выделенным сервером (иерархические сети).\

 Толстый клиент – это приложение, обеспечивающее расширенную функциональностью независимо от центрального сервера. Часто сервер в этом случае является лишь хранилищем данных, а вся работа по обработке и представлению этих данных переносится на машину клиента. 

Достоинства:

  1. Режим многопользовательской работы 
  2. Толстый клиент обладает широким функционалом в отличие от тонкого
  3. Предоставляет возможность работы даже при обрывах связи с сервером 
  4. Высокое быстродействие 

Недостатки:

  1. Большой размер дистрибутива
  2. При работе с ним возникают проблемы с удалённым доступом к данным
  3. Довольно сложный процесс установки

Тонкий клиент – компьютер или программа-клиент в сетях с клиент-серверной архитектурой, который переносит все или большую часть задач по обработке информации на сервер. Под термином «тонкий клиент» подразумевается достаточно широкий ряд устройств и программ, которые объединяются общим свойством: возможность работы в терминальном режиме.

Основная проблема таких систем заключается в способе распределения БД, когда ПК объединены в ЛВС (локально-вычислительная сеть) БД может быть централизована, а данные поступают к индивидуальным узлам. Если необходимо извлечь определённую информацию из БД непосредственное обращение к Бд и поиск в ней осуществляется только компьютером, ответственным за управление этой базой. Такой компьютер, обладающий необходимым интерфейсом по обработке запросов, функционирует как сервер информации. Когда узел отображения (или иной клиент) не должен осуществлять поиск в базе самостоятельно, а лишь запрашивать данные с сервера. Это и составляет основу архитектуры клиент-сервер.

Оптимизация клиент-серверной обработки данных Citect

Архитектуру клиент-сервер отражает Citect, основные задачи: ввод/вывод, отображение, тревоги, графики, отчёт. 

Рис. 3 Масштабируемая архитектура

 

Ввод-вывод является интерфейсом между системой управления и контроля производственными процессами. Он оптимизирует и управляет процессом обмена данными на предприятии между физическими устройствами.

Тревоги отвечают за генерацию сигналов тревог путём анализа дискретных элементов и сравнение значение аналоговых переменных с заданным порогом.

Графики управляют всеми данными, которые необходимо отражать с течением времени, собранные и обработанные, они посылаются задаче отображения по запросу последней.

Отчёты. Задача по обработке отчётов собирает необходимые данные, в том числе с тревог и графиков, и генерирует отчёты по заданному критерию. Отчёты могут вырабатываться периодически при наступлении некоторого события или инициироваться оператором.

Отображение информации является связующим звеном с оператором как основной составляющей человеко-машинного интерфейса. Этот процесс управляет всеми данными, предназначенными для отслеживания оператором, и выполнения действий, инициируемых оператором. В рамках отображения осуществляется доступ ко всем тревогам, графикам и отчётам.

Каждый из описанных ранее процессов функционирует независимо от других. Ввод-вывод, тревоги, графики и отчёты имеют одну общую черту – поскольку они нуждаются в доступе к одним и тем же данным производственного процесса и такие задачи лучше решаются в рамках централизованной архитектуры.

Задача отображения больше подходит распределённой архитектуре, поскольку, как правило, в системе присутствует более одного оператора.

Клиент-серверная архитектура с распределёнными задачами как клиентами и общими задачами как серверами, оптимизирует распределение информации между БД. Citect для Windows может поддерживать высокую производительность даже при распределении задач по многим компьютерам.

  1. Масштабируемая архитектура

Поскольку архитектура клиент-сервер позволяет распределять подзадачи, конструкторы системы не связаны обычными аппаратными ограничениями. Результатом является масштабируемая архитектура, которая может быть адаптирована к приложениям любого размера – решения, устраняющего множества ограничений обычных систем и обеспечивающего результаты, до сих пор невозможно в АСУ. Потенциал масштабируемой архитектуры для любого приложения рассмотрим в серии примеров из практики. В небольших приложениях, где один компьютер управляет всеми тревогами, графиками, отчётами и задачами ввода-вывода, система может быть полностью независимой или интегрированной в существующую структуру.

 

По мере расширения приложения (например, добавляется два узла) дополнительный компьютер может быть использован для каждого узла и на каждом устанавливается Citect для Windows.

 

И эту схему (рисунок 5) можно улучшить добавлением ЛВС и выделенного сервера ввода-вывода. Такая централизация устраняет ненужные вычисления, задачи отображения распределены по компьютеру, так что каждый оператор может получать необходимые данные (рисунок 6).

Поскольку задача отображения обрабатывается локально и лишь запросы к данным поступают на центральный сервер, такая система значительно улучшает производительность и гибкость. Другим достоинством такой системы является необходимость наличия только одного принтера. Дополнительные операторы могут быть легко подключены к системе.

Менеджерам и группе качества может быть предоставлен доступ к данным производственного процесса (рисунок 7).

Многоуровневая система по паролю ограничивает доступ к данным и защищает оборудование предприятий от несанкционированных обращений, например, каждому оператору может быть предоставлен доступ лишь к определённым объектам на предприятии: группа качества может иметь доступ, ограниченный только чтением данных на всём предприятии, в то время как начальник смены обладает неограниченным доступом.

Связь с большим компьютером может поддерживать загрузку регламентов и управление выпуском продукции, а свою очередь отчёты и журналы тревог могут поступать обратно в отдел планирования и управления. То, что начиналось как небольшое приложение, превратилось в среднюю по размерам систему, не потребовав изменения ни оборудования, ни программного обеспечения. Инвестиции были сохранены на каждой стадии развития. Для приложения большого размера, как правило, требуется отдельный сервер для задач и отчётов, тревог и графиков; как дополнение, может быть использован файловый сервер для хранения конфигураций базы данных и общего программного обеспечения (рисунок 8). Не все АСУ так велики, как на рисунке 8, но Citect может активно использоваться в системе любого размера функционально расширяясь по мере роста предприятия. Возможность простого добавления новой аппаратуры и дальнейшего распределения обработки Citect для Windows является поворотным моментом в развитии АСУТП.

  1. Взаимодействие человека и машины в АСУТП

АСУТП – человекомашинная система, и от того, как сложатся их взаимоотношения, зависит как эффективность, так и самовозможность существования АСУТП. В существующих системах управления технологическими объектами на человека возлагается выполнение самых разнообразных операций. Иногда он выступает в роли исполнительного механизма, выполняющего несложные операции по сигналам командного устройства или другого человека, а иногда осуществляет наиболее ответственные и наиболее сложные операции по управлению целыми технологическими комплексами. Типичны также случаи, когда человек играет роль контролёра, участвуя в процессе измерения и выполнения различных операций с целью получения информации о текущем состоянии некоторых технологических параметров.

Взаимодействие человека и техники может быть организовано по-разному в зависимости от задач, поставленных перед системой, возможности выбранных аппаратурных средств и роли, возложенной на человека в данной системе управления. По последнему признаку все АСУТП условно можно разделить следующим образом:

  1. Системы, в которых человек, осуществляя функцию управления, является в то же время исполнительным элементом и даже источником энергии, непосредственно воздействующим на технологическое оборудование объекта.
  2. Системы, в которых человек управляет внешними источниками энергии, добиваясь оптимального функционирования объекта. Существенна зависимость интенсивности результирующего воздействия источника энергии на процесс от степени управляющего воздействия человека.
  3. Системы автоматического управления, выполняющая функции управления в соответствии с некоторым наперёд заданным законом функционирования, и человеку отводится роль звена, осуществляющим наблюдение за ходом процесса и вводящим корректирующие воздействия.
  4. Системы, в которых человек кроме выполнения функций наблюдения за поведением системы, вводит в неё необходимую информацию.

Практически все реальные АСУТП представляют собой комбинации систем рассмотренных видов. В будущих автоматизированных системах управления производством в одних случаях человек будет вытесняться автоматическими устройствами из контура управления (контролируемый исполнитель), а в других наоборот – его роль будет возрастать, т.к. человек в них останется главнейшим звеном, вследствие этого одной из центральных проблем создания АСУТП является реализация оптимального взаимодействия человек-машина, т.е. такая организация потоков информации к человеку и командная информация от него, при которых обеспечивается наилучшее и наиболее полное использование его творческих возможностей, поэтому при разработке АСУТП и соответствующих технических средств взаимодействие человек-машина, для таких систем управления необходимо учитывать психофизиологические особенности, через которые осуществляется взаимодействие, а те конструктивные элементы, через которые осуществляется взаимодействие (индикаторы показывающих устройств для передачи информации человеку, рукоятки командных устройств для передачи управляющих воздействий от него и т.д.) должны быть удобны человеку. Важнейшими являются и требования комфорта для оптимальной жизнедеятельности человека на рабочем месте.

Как звено переработки информации, человек подобен универсальному вычислительному устройству, уступая вычислительным машинам в быстродействии, он может выполнять операции не доступные им, а именно: решать проблемы интуитивным способом, ориентироваться при неполной информации в непредвиденных ситуациях, принимать принципиально новые творческие решения и т.д. Обычно человек наименее точный элемент в цепи управления, что особенно важно, когда эта цепь через него замыкается, поэтому любые меры, предпринимаемые с целью повышения точности работы человека существенны для повышения результирующей точности всей системы. К таким эффективным мерам относятся:

  • чёткое определение функций, выполняемые человеком; согласование характеристик системы и человека;
  • рациональная конструкция средств представления информации и органов управления;
  • оптимальное расположение их счётов и пультов;
  • специальные тренировки персонала;
  • организация режима работы и условий труда и др.

По надёжности работы человек также в значительной мере уступает многим другим звеньям АСУ. Он довольно быстро утомляется, качество его работы существенно зависит от большого числа факторов (в том числе и психологических). Однако при благоприятных условиях работы благодаря ряду значительных преимуществ перед автоматическими управляющими устройствами (возможность контроля обстановки своими органами чувств), предугадывание событий, способность к обучению, приспосабливаемость к изменению условий и другие. Введение человека в систему управления коренным образом улучшает надёжность её работы.

Кроме того, человек всегда выполняет функцию резерва на случай отказа автомата. Человека в АСУТП чаще всего называют оператором или диспетчером. Обычно считают, что оператор управляет технологическим процессом самостоятельно или с помощью средств, прямо участвуя в производстве предметов или энергии, в то время диспетчер с помощью своих технических средств или через других людей направляет ход такого производства влияя на него косвенно, например, путём оперативного перераспределения ресурсов, задания и т.п.

По способам представления информации для восприятия человеком системы условно делятся следующим образом:

  1. В которых информация выдаётся человеку в абстрактной форме (в виде цифр, формул, показаний стрелочных контрольно-измерительных приборов и т.д.).
  2. В которых информация воспроизводится в графической форме (в виде графических функциональных зависимостей, диаграммно регистрирующих приборов).
  3. С представлением информации в изобразительной форме (в виде мнемосхем, схем территориального расположения и т.д.).
  4. В которых информация передаётся в виде буквенно-цифровых обозначений или текстов (на световых табло, экранах мониторов, печатающих устройствах и т.д.).

В большинстве реальных АСУТП используют не одну, а две-три или даже все четыре формы представления информации. Однако конструирование средств представления информации на основе только технических предпосылок не может обеспечить надёжной и высокоэффективной работы оператора. Здесь необходимо привлечение данных инженерной психологии, эргономики, физиологии, гигиены. Немаловажное значение имеет также применение методов художественного конструирования и технической эстетики.

  1. Взаимодействие человека и ЭВМ

В общении с ЭВМ должны принимать участие не один, а несколько человек, имеющих различные интересы, задачи, знания и профессиональную подготовку. В основном общение происходит между ЭВМ и одним из следующих лиц:

  1. Программистам;
  2. Операторам ЭВМ;
  3. Операторам-технологам процесса.

Программист – высококвалифицированный специалист, задачи которого заключаются в подготовке и обслуживании программ, выполняемых ЭВМ в данной системе. Его основные интересы связаны с внутренним функционированием ЭВМ. Детально зная принцип работы ЭВМ, он использует для общения с ней специальные формальные языки, состоящие из абстрактных символов и сложных правил. Операторы ЭВМ обычно не участвуют в подготовке и обслуживании функционирования программ вычислительной машины, в какой степени это нужно сделать программисту. Он должен иметь возможность инициировать процесс выполнения программ и в какой-то мере управлять им, т.е. он имеет дело с программами как единым целым и не должен разбираться в их внутреннем строении. Оператор-технолог интересуется прежде всего самим технологическим процессом, а не вычислительной машиной. Его квалификация и образование часто вообще не имеют отношения к вычислительной технике.

Основным помещением, в котором находятся люди, непосредственно ведущие технологический процесс, является операторский зал. Основная функциональная зона операторского зала (диспетчерской) образована рабочими местами операторов, технологов, начальников смены и/или цеха и т.п. Рабочие места представляют собой совокупность информационных и командных органов, расположенных на щитах, отдельных панелях, пультах, приставках к пульту и т.п. Центральные пункты управления (ЦПУ) обычно располагают в специальном помещении (здании), не имеющего непосредственного соседства с производственными участками (цехами) предприятия, в нём поддерживают необходимые комфортные условия для человека и оборудования АСУ (температура окружающей среды, вентиляция, определённый уровень шума, вибрация и прочее).

Общий контур управления, проходящий через АСУТП, может быть расчленён на два: автоматический «А» и эргономический «Э», который состоит из внутреннего Э1 и внешнего Э2 эргономических контуров. Внутренний Э1 обеспечивает оператору возможность контроля и управления процессом через автоматические устройства, предназначенные для достижения относительно простых полностью формализованных целей управления (защита, стабилизация и т.п.). Внешний Э2 позволяет оператору контролировать и управлять непосредственно объектом в случае неформализованных целей управления и выполняет (по крайней мере частично) функции автоматического контура при его выходе из строя. Сенсорные и моторные блоки содержат в своём составе поля, на которых сосредоточены эргономические элементы. К ним относятся мнемосхемы, индикаторы (устройства контроля, передающие информацию оператору), ключи, кнопки и другие устройства, воспринимающие оператором управляющие воздействия. Мнемонические фрагменты (мнемосхемы) со встроенными в них индикаторами представляют собой одно из эффективных средств, призванных облегчить работу оператора, помочь ему среди множества контролируемых параметров, выявить те, которые требуют его непосредственного вмешательства, облегчить восприятие общей картины протекания технологического процесса в целом или на отдельных его участках.

В существующих системах управления мнемосхема чаще всего выполняет чисто информационные функции, хотя используются (например, при управлении энергосетями) и так называемые управляющие мнемосхемы, на которых на ряду с различными индикаторы располагаются соответствующие органы управления, в основном двухпозиционного типа. Мнемосхема не должна вступать в противоречия в технологической схемой, однако она и не должна копировать её, так как их назначение различно: технологическая схема является детальным графическим отображением процесса, мнемоническая схема служит для контроля и управления объектом, следовательно, мнемосхема должна отображать логику управления объектом, то есть выделять те узловые места объектов, знания о состоянии которых позволяет оператору судить о состоянии объекта в целом.

6. Программная реализация систем управления

Современные системы промышленной лабораторной автоматизации позволяют решать широкий круг задач, который можно разделить на несколько групп, имеющих свои особенности:

  • АСУТП взаимодействие систем с диспетчером (оператором);
  • автоматизированный контроль и измерения (мониторинг);
  • обеспечение безопасности;
  • дистанционное управление, измерения, сигнализация (задачи телемеханики)

Развитие программных средств автоматизации показывает, что все особенности отдельных применений можно учесть путём настройки нескольких универсальных программ на выполнение конкретной задачи. К таким универсальным программам относятся:

  • OPC;
  • МЭК;
  • SCADA;

Для систем автоматизации, не связанных с АСУТП, используются программы LabView, MATLAB, HP-Vee и другие ориентированные на автоматизацию эксперимента, измерений или математическую обработку данных. Для простых задач и широко тиражируемых приложений бывает экономически эффективно использовать заказное программирование на C++ или Visual Basic.

ОРС – это семейство программных технологий, представляющее единый интерфейс для управления объектами автоматизации. Это набор интерфейсов, основанных на СОМ, которые позволяют приложению обращаться к данным, хранимым в разных источниках информации или хранилищем данным с помощью унифицированного доступа. Технология ОРС предлагает стандарты для обмена технологическими данными, в которые заложены широкие возможности.

  1. Пользовательский интерфейс: SCADA-пакеты.

SCADA (дословно: диспетчерское управление и сбор данных) – это система, которая предназначена для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов как: микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т.д. и программирование задач, отнесённых к SCADA уровню. 

На практике термин SCADA трактуют значительно шире, чем расшифровка, а современные SCADA-пакеты включают в себя широкий набор возможностей, выходящий за рамки диспетчерского контроля и управления.

  1. Функции SCADA.

Существующие на сегодняшний момент SCADA пакеты выполняют множество функций, которые можно разделить на несколько групп: настройка SCADA на конкретную задачу, т.е. разработка программной части системы автоматизации, диспетчерское управление, автоматическое управление, хранение истории процессов, выполнение функций безопасности, выполнение общесистемных функций.

Несмотря на множество функций, выполняемых SCADA, отличительным её признаком является наличие интерфейса с пользователем. При отсутствии такого интерфейса перечисленные выше функции совпадают с функциями средств программирования контроллеров Качество решений, выполненных оператором часто влияет не только на качество продукции, но и на жизнь людей, поэтому понятность интерфейса, комфортность рабочего места, блокировка ошибок оператора, наличие подсказок являются важнейшими особенностями SCADA, а дальнейшее их развитие осуществляется в улучшении эргономики. 

Т.к. «алармы» требуют принятия решения их делят на подтверждённые и неподтверждённые. Подтверждённым называется ALARM, в ответ на который оператор послал сигнал подтверждения. Методика выдачи ALARMов должна быть надёжной, в частности окна сообщения ALARMов должны быть поверх остальных окон, ALARMы могут дублироваться звуком и светом, поскольку ALARMов в системе может быть много им назначают разные приоритеты, разные уровни громкости и т.п.

  1. Разработка человеко-машинного интерфейса.

Одной из основных функций SCADA является разработка человеко-машинного интерфейса, т.е. SCADA одновременно является человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ) и инструментом для его создания. Быстрота разработки существенно влияет на рентабельность фирмы, выполняющей работу по внедрению систем автоматизации, поэтому скорость разработки является основным из показателей SCADA с точки зрения системного интегратора. В процесс разработки входят следующие операции: создание графического интерфейса (мнемосхем, графиков, таблиц, всплывающих окон, элементов для ввода операторов и т.д.), программирование и отладка алгоритмов работы системы автоматизации, настройка систем коммуникации (сетей, модемов, коммутационных контроллеров и т.д.), создание баз данных и подключение к ним SCADA.

  1. SCADA как система диспетчерского управления.

 Как система дис­петчерского управления SCADA может выполнять следующие задачи:

  • взаимодействие с оператором (выдача визуальной и слуховой информации, передача в систему команд оператора);
  • помощь оператору в принятии решений (функции экспертной системы);
  • автоматическая сигнализация об авариях и критических ситуациях;
  • выдача информационных сообщений на пульт оператора;
  • ведение журнала событий в системе;
  • извлечение информации из архива и представление ее оператору в удоб­ном для восприятия виде;
  • подготовка отчетов (например, распечатка таблицы температур, графиков смены операторов, перечня действий оператора);
  • учет наработки технологического оборудования.
  1. SCADA как часть системы автоматического управления.

 Основная часть задач автоматического управления выполняется, как правило, с помощью ПЛК, однако часть задач может возлагаться на SCADA. Кроме того, во многих небольших системах управления ПЛК могут вообще отсутствовать, и тогда ком­пьютер с установленной SCADA является единственным средством управления. SCADA обычно выполняет следующие задачи автоматического управления:

  • автоматическое регулирование;
  • управление последовательностью операций в системе автоматизации;
  • адаптация к изменению условий протекания технологического процесса;
  • автоматическая блокировка исполнительных устройств при выполнении за­ранее заданных условий.
  1. Хранение истории процесса

Знание предыстории управляемого про­цесса позволяет улучшить будущее поведение системы, проанализировать при­чины возникновения опасных ситуаций или брака продукции, выявить ошибки оператора. Для создания истории система выполняет следующие операции:

  • сбор данных и их обработка (цифровая фильтрация, интерполяция, сжатие, нормализация, масштабирование и т.д.);
  • архивирование данных (действий оператора, собранных и обработанных данных, событий, алармов, графиков, экранных форм, файлов конфигу­рации, отчетов и т.п.);
  • управление базами данных (реального времени и архивных).
  1. Безопасность SCADA. 

Применение SCADA в системах удаленного до­ступа через Интернет резко повысило уязвимость SCADA к действиям враж­дебных лиц. Пренебрежение этой проблемой может приводить, например, к отказу в работе сетей электроснабжения, жизнеобеспечения, связи, отказу мор­ских маяков, дорожных светофоров, к заражению воды неочищенными стоками и т.п. Возможны и более тяжелые последствия с человеческими жертвами или большим экономическим ущербом. Для повышения безопасности SCADA ис­пользуют следующие методы:

  • разграничение доступа к системе между разными категориями пользова­телей (у сменного оператора, технолога, программиста и директора долж­ны быть разные права доступа к информации и модификации настроек системы);
  • защиту информации (путем шифрования информации и обеспечения сек­ретности протоколов связи);
  • обеспечение безопасности оператора благодаря его отдалению от опасного управляемого процесса (дистанционное управление). Дистанционный кон­троль и дистанционное управление являются типовыми требованиями Ро­стехнадзора и выполняются по проводной сети, радиоканалу (через GSM- или радиомодем), через Интернет и т.д.;
  • специальные методы защиты от кибератак;
  • применение межсетевых экранов.
  1. Общесистемные функции. 

Поскольку SCADA обычно является един­ственной программой для управления системой автоматизации, на нее могут возлагаться также некоторые общесистемные функции:

  • осуществление взаимодействий между несколькими SCADA, между SCA­DA и другими программами (MS Office, базой данных, MATLAB и т.п.);
  • диагностика аппаратуры, каналов связи и программного обеспечения.

 

  1. Свойства SCADA

Анализ свойств различных SCADA позволяет выбирать систему, оптималь­ную для решения поставленной задачи. Все многообразие свойств SCADA- пакетов можно разбить на следующие группы:

  • инструментальные свойства;
  • эксплуатационные свойства;
  • свойства открытости;
  • экономическая эффективность.
  1. Инструментальные свойства. 

К инструментальным относятся свойства SCADA, влияющие на эффективность работы системных интеграторов:

  • быстрота разработки проекта;
  • легкость освоения;
  • поддерживаемые средства коммуникации;
  • наличие функций для сложной обработки данных;
  • наличие языков МЭК 61131-3 и универсального алгоритмического языка типа Visual Basic;
  • степень открытости для разработчика (поддержка СОМ и ActiveX для подключения программных модулей пользователя, а также ОРС, ODBC, OLE DB[1]);
  • качество технической документации (полнота, ясность изложения, коли­чество ошибок);
  • наличие режима эмуляции оборудования для отладки;
  • наличие внутренних графических редакторов, позволяющих отказаться от применения внешних редакторов типа CorelDraw или Photoshop;
  • поддержка типовых графических форматов файлов;
  • качество технической поддержки (время реакции на вопросы пользовате­лей, наличие «горячей линии» технической поддержки.

SCADA используют языки программирования МЭК 61131-3, ориентирован­ные на технологов, которые дополняются функциями, специфическими для SCADA. Большинство SCADA имеют встроенный редактор и интерпретатор языка Visual Basic фирмы Microsoft.

  1. Эксплуатационные свойства. 

Качество SCADA в процессе эксплуата­ции оценивается конечными пользователями и характеризуется следующим набором свойств:

  • робастность (нечувствительность к ошибкам пользователя, защищенность от вандалов и враждебных элементов, устойчивость к ошибкам в исход­ных данных);
  • надежность;
  • информационная защищенность;
  • наличие средств сохранения данных при нештатных ситуациях, отключе­ниях питания и сбоях;
  • наличие автомата перезапуска системы при ее зависании или после пре­рывания питания;
  • поддержка резервирования SCADA (операторской станции, сетевых серве­ров, клиентских рабочих станций, резервное копирование данных);
  • поддержка переключения экранов с разной детализацией изображений; поддержка нескольких мониторов.

Степень открытости очень сильно влияет на экономическую эффектив­ность системы, однако это влияние носит случайный характер, поскольку за­висит от степени использования свойств открытости в конкретном проекте.

Открытость для программирования пользователем SCADA обеспечивается возможностью подключения программных модулей, написанных пользовате­лем или другими производителями. Открытость системы программирования достигается поддержкой языков МЭК 61131-3.

Особенно интересно с точки зрения открытости применение веб-интерфей- са, поскольку он обеспечивает доступ к SCADA с любого компьютера из любой точки мира, независимо от аппаратной платформы, типа канала связи, опера­ционной системы и используемого веб-навигатора.

Экономическая эффективность.

Экономическую эффективность SCA­DA можно определить как отношение экономического эффекта от ее внедре­ния к общей сумме затрат на внедрение и поддержание системы в работоспо­собном состоянии. На экономическую эффективность в конечном счете вли­яют практически все свойства SCADA, однако в первую очередь можно вы­делить следующие:

  • масштабируемость (возможность применения как для больших, так и для малых систем);
  • модульность.

Модульность позволяет сделать заказную комплектацию си­стемы в зависимости от поставленной задачи. Типовыми модулями мо­гут быть, например, модуль ввода-вывода, модуль визуализации, модуль алармов, модуль трендов, модуль отчетов, модуль коммерческого учета энергоресурсов и др.;

  • стоимость обслуживания;
  • условия обновления версий;
  • надежность поставщика, наличие опыта практического применения;
  • стоимость обучения;
  • стоимость технической поддержки;
  • методы ценообразования.

Общим недостатком универсальных SCADA является их низкая экономиче­ская эффективность при использовании для решения простых задач. Несмотря на то что цена SCADA-пакетов существенно снижается при уменьшении ко­личества доступных пользователю тегов и набора модулей, остается высокой цена технической поддержки. Также дорогой (трудоемкой) остается адапта­ция универсальной SCADA к конкретной задаче. Поэтому ряд фирм предлага­ют более узкоспециализированные, но достаточно простые в настройке микро- SCADA с сокращенной функциональностью, см., например, пакет RLDataView (www.RealLab.ru).

  1. Заключение

Основными тенденциями развития программного обеспечения для средств автоматизации являются максимальное упрощение процесса программирова­ния и обеспечение открытости инструментальных средств. Конечной целью является предоставление потребителю возможности построения качественной системы автоматизации в максимально короткий срок.

Долгий период неопределенности в средствах программирования ПЛК и SCADA-пакетов завершился принятием общепризнанного стандарта МЭК 61131-3 и созданием на его основе инструментальных средств программирова­ния, которые поддерживаются фирмами, специализирующимися на программ­ном обеспечении.

Существенный вклад в открытость систем автоматизации внес стандарт ОРС, обеспечивший системным интеграторам широчайший выбор аппаратного обеспечения, совместимого с любыми стандартными SCADA-пакетами, а раз­работчикам контроллерного оборудования — расширение рынков сбыта.

  1. Развитие программных средств автоматизации

Разработка АСУ должна выполняться не программистами, а специалистами той предметной области, которая нуждается в автоматизации, т.е. технологами, а также системными интеграторами, которые осуществляют комплексное внедрение системы. Необходимость разработки средств программирования, предназначенных специально для систем автоматизации и ориентированных на технологов, была вызвана следующими причинами:

  1. Требованием надёжности программного обеспечения – система написана целиком на алгоритмическом языке для конкретного заказа, содержала слишком много программного кода, начать разработку и тестирование которого не хватало времени.
  2. Сжатыми сроками внедрения системы и ограниченной стоимостью работы – для создания системы в короткий срок при ограниченном бюджете требовалось большое количество готовых универсальных готовых проектов, уже написанных и тщательно отредактированных.
  3. Необходимостью модификации системы в процессе её эксплуатации – внести изменения в специализированную программу мог только написавший её программист, который к этому времени обычно уже работал на другом предприятии, и вместо того, чтобы модифицировать ПО, приходилось переписывать заново.
  4. Требованием совместимости с другими системами автоматизации, работающими на том же предприятии – были необходимы стандартные интерфейсы между программами, созданными разными производителями на разных аппаратных протоколах.
  5. Высокими требованиями к качеству пользовательского интерфейса – ограниченный бюджет времени и финансовых ресурсов не позволял разработать достаточно хороший программный интерфейс на универсальных алгоритмических языках.
  6. Разделение труда по созданию программных средств автоматизации

Возникло следующее разделение труда по созданию программных средств для систем автоматизации:

  • фирмы, специализирующиеся на программном обеспечении, создают универсальные системы программирования задач автоматизации (SCADA-пакеты и средства МЭК-программирования), и инжиниринговые фирмы (системные интеграторы), которые адаптируют эти системы к нужным конкретным задачам.

Более того, существенное упрощение процесса адаптации по сравнению с классическим программированием, изменение в алгоритме управления, могут быть внесены, например, технологом эксплуатирующей организации без привлечения системных интеграторов или программистов.

В настоящее время заказные программы естественным путём вытеснены с рынка промышленной автоматизации SCADA-пакетами и аналогичными универсальными средствами автоматизации, а также средствами программирования контроллеров на языках МЭК 61131-3.

  1. Заказные и специализированные программные средства автоматизации

В силу своей универсальности SCADA-пакеты оказались слишком дорогими для применения простых задач, например, необходимость записать в компьютер несколько значений температуры или сделать один контур управления температурой в термошкафе. Эту проблему частично удаётся решить введением зависимости цены SCADA-пакетов от количества тегов, однако остаётся нерешённой проблема трудоёмкости изучения и сложности адаптации SCADA к простым задачам. SCADA-пакеты не смогли занять сегмент рынка простых систем, которые не требуют предварительного изучения и настройки и построены по принципу Plug&Play. Подобные пакеты уже не могут быть такими универсальными и функционально насыщенными как SCADA и являются специализированными ориентированными на узкий круг задач отображения графиков или простейшего управления с большим количество тегов. Экономически целесообразно осталось также разрабатывать заказные программы для серийно тиражированных систем автоматизации, например, система контроля температура.

  1. Графическое программирование

Первые языки программирования алгоритмов работы систем автоматизации были нестандартными, каждая фирма, создававшая контроллер или SCADA-пакет, предлагала свой язык. Это требовало от системных интеграторов дополнительных усилий и затрудняло освоение новых SCADA-пакетов и средств программирования контроллеров, поэтому появление в 1993 году стандарта языков программирования контроллеров стало большим шагом в направлении открытых систем автоматизации и обеспечило снижение стоимости разработки, сокращение сроков, повышение качества реализации алгоритмов автоматизации и возможность детального изучения языков программирования, пригодных для любого контроллера.

МЭК 61131-3 устанавливал стандарты для пяти языков программирования, рассчитанных на специалистов разных профессий, не связанных с программированием.

Графический интерфейс.

Главным эффектом от применения графического интерфейса является существенное снижение количества ошибок, допускаемых оператором. Проектирование пользовательского интерфейса основано на следующих принципах:

  • узнаваемость – назначение элементов экрана должно быть понятно без предварительного обучения, допустимая манипуляция с этими элементами должна также понятна интуитивна, интерфейс не должен содержать излишней детализации;
  • логичность – пользователь, имеющий опыт работы с одной программой, должен способен быстро практически без обучения адаптироваться к любой аналогичной программе;
  • отсутствие «сюрпризов», знакомые с прошлого опыта операций с элементами на экране должны вызывать знакомые реакции системы;
  • восстанавливаемость – система не должна быть чувствительна к ошибкам оператора, оператор должен иметь возможность отменить любое своё неправильное действие, для этого используется многократное подтверждение, отмены, возврат на несколько шагов назад, установка контрольных точек и тому подобное;
  • наличие удобной справки, подсказок, встроенных в пользовательский интерфейс, средств конкретного поиска и замены;
  • адаптация к опыту пользователя – начинающий пользователь должен иметь более простой интерфейс и большим количеством подсказок, для опытного пользователя количество подсказок должно быть уменьшено, т.к. они мешают работе.

7. Устройства сопряжения с объектом

Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный, существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговом виде, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны … использует цифровое представление обрабатываемых величин. И для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом, дискретном и цифровом видах используются устройства связи с объектами (УСО). УСО является неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующие цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Ниже представленная схема и отражает место УСО в процессе автоматизации производства.

Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров выходного сигнала для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс …. Промышленный компьютер или ПЛК в системе играет роль управляющего элемента, принимающий цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющий сигнал. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-484. В реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-плат, вставляемых в ISA-слот компьютера. И в этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где преобразуются в цифровой код. Обычно в качестве УСО рассматриваются модули, платы и другие устройства, предназначенные для приёма аналоговых и дискретных сигналов от объектов (независимо от того, сколько раз они были преобразованы). Преобразование их в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приёма цифровых управляющих данных от компьютера и преобразование их в вид, соответствующий исполнительному механизму объекта.

Модули УСО – конструктивно законченное устройство, выполненное в виде модулей, устанавливаемых, как правило, специализированной платой, имеющей клеммные соединители для подвода внешних цепей (монтажными панелями) либо стандартной, несущей DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами, креплениями на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей, как правило, в специализированные платы.

На УСО возлагают следующие функции:

  1. Нормализация аналоговых сигналов – приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространённый диапазон аналогового напряжения: от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В; и токовые диапазоны: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 1 до 5 мА.
  2. Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала (ограничение полосы частот первичного непрерывного сигналов с целью снижения влияния результата…). На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности.
  3. Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами систем. Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле, однако они, как правило, инерционные, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии.

Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями и УСО, построенная с помощью такой развязки, является недорогими, высоконадёжными и быстродействующими, а также характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью. Помимо этих функций ряд УСО может выполнять более сложные функции за счёт наличия в их составе подсистемы АЦ-преобразования и дискретного ввода-вывода микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных. По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Также желательным является работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов и термопар, и т.д.), возможность быстрой замены и низкая стоимость.

Модули аналогового ввода-вывода могут выполнять следующие функции:

  1. Подключение: сигналы с датчика передаются на аналоговые входы по одиночным или парам проводов. В устройстве при подключении, предназначенном для этой цели, могут служить кабельные разъёмы, колодки и т.д.
  2. Нормализация сигналов, т.е. его модификация (фильтрация, ослабление, смещение уровня, линейная или нелинейная компенсация и образование токов или напряжения), усиления исключаются.

Коммутатор состоит из электронного или электромеханического переключателя, последовательно подключающего каждый отдельный вход или выход. Коммутация осуществляется до или после усиления, коммутаторы различают по уровню сигналов, быстродействию и числу направлений коммутации.

Усиление сигналов осуществляется с помощью усилителей трёх типов: усилителей сигнала низкого уровня, коэффициент усиления которых может быть от 100 до 1000, буферного усилителя, имеющий высокое входное и низкое выходное сопротивление, коэффициент усиления 1-2, усилителей слежения запоминания.

  1. Дискретные УСО

Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевые выключатели, контроль наличия в цепи напряжения токов и так далее, а также выходное УСО формирует сигналы для управления двигателями, пускателями и прочими устройствами. Они должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые, и, кроме того, обладать минимальным временем переключения, а выходные – обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами в коммутируемых объектах.

Модули дискретного ввода-вывода также, как и аналоговые, выполняют функцию подключения, нормализации, усиления и коммутации. Кроме того, они способны подсчитать число импульсов, поступающих с датчиков, на определённый промежуток времени или расширять импульсы до заданной величины. На вход модулей ввода-вывода дискретных сигналов могут поступать:

  1. Уровневые сигналы, которые вырабатывает датчик, если его состояние изменяется из нуля в единицу.
  2. Дискретные сигналы, то есть сигналы различной частоты следования и различной длительности.

Среди модулей УСО есть также работающие только с цифровой информацией. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия, например, повторители, служащие для увеличения протяжённости линий связи и преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485. По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на три типа:

  1. Устройства ввода, обеспечивающих передачу сигналов с датчиков на устройства обработки.
  2. Устройства вывода, предназначенные для формирования сигнала для исполнительных механизмов.
  3. Двунаправленные, т.е. обеспечивающие ввод и вывод сигналов.

Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то можно выделить следующую классификационную структуру:

  1. Устройства преобразования цифрового интерфейса «а/д сигнал <-> ЦИ». Преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу наоборот.

Устройства первого типа является основными УСО, используемые в автоматизации, и поэтому широко представлены производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи воздействия для исполнительного механизма. Этим модули обеспечивают приём и дешифрацию по цифровому каналу, ввод и нормализацию аналоговых сигналов (только напряжение), опрос состояний дискретных входов, ввод аналоговых (ток и напряжений) и дискретных сигналов, аналого-цифровое (для модуля аналогового ввода) и цифро-аналоговое (для модуля аналогового вывода преобразования). Преобразование шкалы значений непрерывных параметров предварительно заданной единицы измерения. Формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результаты измерения или состояния дискретных входов после получения соответствующего запроса по цифровому каналу.

Коммуникационные модули.

  1. Устройства типа «ЦИ <-> ЦИ», служит для преобразование интерфейсов либо для организации новых сегментов сети.
  2. Модули гальванизации и гальванической развязки «а/д <-> модуль <-> а/д».

Коммуникационные модули предназначены для создания информационно-измерительных сетей, для увеличения протяжённости линий связи или для организации очередного сегмента сети (повторители). Кроме того, они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия и …

  1. Платы для ввода-вывода данных. «ЦИ – плата – ПК» 
  2. Платы для ЦАП/АЦП («а/д <-> плата <-> ПК»)

При выборе модуля УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на основе которого построена измерительная сеть предприятия, т.к. в противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов. На выбор используемого интерфейса влияет топология сети, протяжённость линии связи. Для разветвлённых сетей и сетей с протяжёнными линиями (до 1200 метров). Наиболее подходящим является интерфейс RS-485. Выбор интерфейса RS-422 нецелесообразен, т.к. он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей с количеством устройств порядка нескольких единиц может использован RS-232. Его преимуществом является то, что встроен во все промышленные и персональные компьютеры и не требует дополнительных устройств. Недостаток – малая протяжённость линии связи. Протяжённые сигнальные линии от датчиков и исполнительных устройств в центральному контроллеру часто приводят к проблемам, связанным с недостаточной помехоустойчивостью и поиском неисправностей.

230