лекции. Лекции (2). 1 программирование и настройка технических средств автоматизации и управления ключевые слова

• Название: 1 программирование и настройка технических средств автоматизации и управления ключевые слова
• Анкор: лекции
• Дата: 26.09.2022
• Размер: 1.31 Mb.
• Имя файла: Лекции (2).docx
• Тип: Документы; #697520
• страница: 3 из 5

2 Выбор промышленных контроллеров
2.1 Критерии выбора промышленных контроллеров

2.2 Адекватность функционально-технологической структуре объекта

2.3 Производительность контроллеров для АСУТП

2.4 Специальные модули контроллеров для АСУТП
Ключевые слова: критерии выбора, адекватность, производительность, оптимальное соотношение, специальные модули.
2.1 Критерии выбора промышленных контроллеров
ПЛК получили широкое применение во всех областях промышленного производства. Большая и часто меняющаяся номенклатура ПЛК на рынке производителей средств автоматизации вводит разработчиков АСУТП в затруднительную ситуацию по их выбору, исходя из экономической целесообразности определенного типа контроллера и его конкретного производителя.

Если первоначально ПЛК сильно отличались по качеству изготовления компонентов (технология), функциональности (набор базовых и специальных функций), производительности, структуре локальной шины управления и данных для связи с УСО, системным программным средствам, инструментальным пакетам для разработки прикладного ПО и средствам диагностики, то в настоящее время есть тенденция к сближению всего спектра характеристик ПЛК.

На рынке ПЛК любая представительная фирма (отечественная или зарубежная) может компетентно заявить о применении своих контроллеров в широкой области промышленной автоматизации.

По каким же критериям выбираются ПЛК для конкретной централизованной или распределенной АСУТП?.

Предлагаются разные варианты базовых критериев при оценке выбора ПЛК:

• 
  технические характеристики;
  
• 
  эксплуатационные характеристики;
  
• 
  потребительские свойства.
  

В разных вариациях ПЛК оцениваются по быстродействию, производительности, объему памяти программ, количеству каналов ввода/вывода и функциональным свойствам.
Оценка ПЛК по техническим и эксплуатационным характеристикам и по потребительским свойствам является естественной, но ее нельзя назвать всеобъемлющей. Например, не учитываются коммуникационные возможности, место в иерархии систем АСУТП и другие характеристики.
Предлагаются следующие требования, которым могут удовлетворять ПЛК:

• 
  адекватность функционально-технологической структуре объекта;
  
• 
  оптимальное соотношение цена-производительность;
  
• 
  широкая номенклатура специализированных модулей (сетевые модули, модули взвешивания, управления движением и др.);
  
• 
  возможность построения систем резервирования и противоаварийной защиты.
  

2.2 Адекватность функционально-технологической структуре объекта

Централизованные и распределенные АСУТП представляют собой иерархическую структуру, состоящую из ряда уровней.

Для централизованной АСУТП это такие уровни, как:

• 
  диспетчерский;
  
• 
  цеховой;
  
• 
  технологический.
  

Для распределенной АСУТП это уровни:

• 
  диспетчерский;
  
• 
  цеховой;
  
• 
  локальный;
  
• 
  технологический.
  

На рис.2.1 и 2.2 представлены типовые структурные системы централизованных и распределенных АСУТП.



Рис.2.1 Структурная схема централизованной АСУТП



Рис.2.2 Структурная схема распределенной АСУТП

ПЛК используются на цеховом и локальном уровнях. Применение контроллеров на цеховом уровне централизованной

АСУТП должно удовлетворять следующим основным требованиям:

• 
  локальная или полевая (промышленная) шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с;
  
• 
  индустриальная шина обмена между контроллером и АРМ диспетчера;
  
• 
  количество переменных на один ПЛК превышает 280/112 дискретных/аналоговых;
  
• 
  ОС реального времени;
  
• 
  синхронизация времени;
  
• 
  обработка прерываний;
  
• 
  контуры регулирования;
  
• 
  архивирование данных;
  
• 
  система резервирования (не обязательно);
  
• 
  программирование в режиме реального времени (on-line).
  

Оптимальными, с этой точки зрения, являются контроллеры с шиной VME или с локальной шиной для обмена данными со встроенными УСО, например, контроллеры типа VME9300-42, IUC9000 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S7-400 (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric) 90-30,90-70 GE (Fanuc), серии 6000 (Octagon Systems).

Применение контроллеров на цеховом уровне распределенных АСУТП аналогично их применению на цеховом уровне централизованных АСУТП, за исключением следующих особенностей:

• 
  обязательна система резервирования;
  
• 
  количество переменных на систему достигает 1000;
  
• 
  для обмена данными между цеховым контроллером и локальными контроллерами используется полевая шина.
  

Этим требованиям соответствуют контроллеры типаVME9300-

42 (Kontron), SIMATIC S5-115F, SIMATIC S4-400H (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric).

Применение контроллеров на локальном уровне распределенных АСУТП должно удовлетворять следующим основным требованиям:

• 
  локальная полевая шина обмена между контроллером и распределенным (удаленным) УСО (например, Modbus Plus, PROFIBUS) со скоростью обмена не менее 1 Мбит/с;
  
• 
  полевая шина обмена между локальным и цеховым контроллерами;
  
• 
  количество переменных на один ПЛК достигает 280/112 дискретных/аналоговых;
  
• 
  ОС реального времени;
  
• 
  поддержка синхронизации времени;
  
• 
  контуры регулирования;
  
• 
  программирование в режиме реального времени (on-line). Этим требованиям соответствуют контроллеры типа IUC9000,
  
• 
  SMART I/O (Kontron), SIMATIC S7-300H (Siemens), Premium, Compact (Schneider Electric), 90-30 (GE Fanuc).
  

В отдельную группу выделяются контроллеры для следующих применений:

• 
  контроллеры противоаварийной защиты (ПАЗ);
  
• 
  контроллеры сбора удаленных каналов телемеханики (RTU). Контроллеры ПАЗ применяются в системах противоаварийной
  
• 
  защиты. Особенности системы ПАЗ состоят в следующем:
  
• 
  высокая готовность системы;
  
• 
  контроллер ПАЗ может быть выделен из системы в отдельный блок, если система ПАЗ входит в состав АСУТП;
  
• 
  резервирование источников питания системы;
  
• 
  малое время реакции системы на событие (прерывание);
  
• 
  ввод аналоговых сигналов без мультиплексирования производится высокоскоростными модулями УСО с изоляцией между каналами не менее 1500 В.
  

Данным характеристикам в полной мере удовлетворяют контроллеры SIMATIC S5-115F (Siemens), Premium, Quantum (Schneider Electric), 90-30, 90-70 (GE Fanuc).

Контроллеры входят в состав оборудования автоматизированных систем контроля и управления (АСКУ) удаленными объектами, где средства коммуникации и доступа к объекту затруднены. Свойства контроллеров, входящих в состав АСКУ удаленных объектов, следующие:

коммуникационная поддержка последовательных и модемных каналов;

• 
  стандартный протокол обмена;
  
• 
  расширенный диапазон температуры от – 40 до +60 ˚C;
  
• 
  встроенная диагностика;
  
• 
  программирование в режиме реального времени (on-line);
  
• 
  защита от провалов питания с помощью батареи или бесперебойного ИП.
  

Для этих целей фирмами Schneider Electric и Bristol Babcock разработаны специальные контроллеры Compact и серии Network DSC3000.
2.3 Производительность контроллеров для АСУТП
Производительность ПЛК оценивается по следующим характеристикам:

• 
  время считывания (выбора) канала телеизмерения;
  
• 
  время обработки команд (двоичных, логических, булевых);
  
• 
  время оборота маркера на внешней шине;
  
• 
  цикл приложения задачи мастера (опрашивающего устройства);
  
• 
  пропускная способность локальной или промышленной шины;
  
• 
  цикл приложения задачи исполнителя (опрашиваемого устройства).
  

Одним из существенных параметров ПЛК является время считывания (Т_ск) канала модуля телеизмерения. Это время представляется в технических характеристиках на модуль УСО неявно в виде времени преобразования аналогового модуля (около 50 мкс для типового модуля) и в явном виде приводится в пределах 0,2….4,0 мс, Суммарное время преобразования и время на обработку результата (время драйвера модуля УСО) определяет Т_ск.

Время обработки команд (Т_ок) дается в технических характеристиках на модуль ЦП в расчете на обработку 1К операций. Это время относится к обработке операндов в приложении, косвенно можно оценить по объему приложения в памяти программ. Как правило, время обработки команд значительно превышает суммарное время считывания каналов и в итоге определяет время цикла задачи в инструментальном пакете ПЛК

Время оборота маркера (Т_ом) определяется циклами считывания модулей УСО на локальной шине или циклами прикладной задачи на локальных контроллерах, а также пропускной способностью шины. Т_ом определяется по формуле:
Т_ом = (N – 1) + n · (T_з + T_о + T_хх) · Tбит/с, где N – количество узлов;

n – количество переменных; T_з - время запроса;

T_о – время ответа;

T_хх – время холостого хода;

Tбит/с – время передачи 1 бита в секунду.

На рис.2.3 и 2.4 даны временные соотношения цикла приложения, Т_ск и Т_ом, (где Т_ск – время считывания канала; Т_ом – время оборота маркера; Т_см - время считывания модуля; Т_су – время считывания узла) для опроса на промышленных шинах Modbus Plus и Profibus.


Рис. 2.3 Опрос на промышленной шине типа Modbus Plus
Время оборота маркера на локальной и промышленной шине равно циклу приложения узла задатчика (мастера) на шине и может быть меньше пропускной способности шины. Цикл приложения узла исполнителя на промышленной шине не должен превышать Т_ом, иначе приложение не успеет подготовить данные для опроса. Цикл приложения мастера на промышленной шине может быть меньше цикла приложения исполнителя, но при этом не в каждом цикле приложения мастера данные модифицируются.


Рис.2.4 Опрос на промышленной шине типа Profibus
Табл.2.1 Линейки контроллеров от основных производителей

Фирма	Линейка	Линейка	Линейка
	верхнего уровня	среднего уровня	нижнего уровня
Kontron	VME9300	IUC9000	Smart I/o
Siemens	SIMATIC S7-400	SIMATIC S7-300	ET200
Schneider Electric	Quantum	Premium	Micro/Nano
GE Fanuc	90 - 70	90 - 30	VersaMax

В табл.2.1 представлены линейки контроллеров от основных производителей. Линейка контроллеров представляет собой группу контроллеров с одинаковым конструктивом, равными функциональными возможностями, но с разной производительностью в зависимости от ЦП. Линейки контроллеров у разных производителей лежат в одном слое с равными типовыми решениями конструктива, набора функций, плотности каналов УСО и др. Линейки подразделяются по уровням (табл.12.1):

• 
  линейка верхнего уровня (мощные цеховые контроллеры, как правило, типа VME);
  
• 
  линейка среднего уровня (контроллеры локального уровня АСУТП, средней производительности);
  
• 
  линейка нижнего уровня (контроллеры – интеллектуальные УСО для связи с распределенными объектами).
  

В одной линейке ПЛК отличаются по производительности центральных процессоров и их коммуникационным возможностям. Стоимость ПЛК в одноуровневых линейках разных производителей контроллеров близка к равному номиналу. В ряду одной линейки стоимость ПЛК может колебаться в пределах стоимости ЦП.
2.4 Специализированные модули контроллеров для АСУТП
Наряду с традиционными модулями дискретных, аналоговых и последовательных каналов на рынке промышленных контроллеров имеется ниша для набора специализированных модулей, которые расширяют номенклатуру спектра применения промышленных контроллеров. Состав специализированных модулей следующий:

• 
  модули коммуникационные;
  
• 
  модули – счетчики;
  

• 
  модули частотные;
  

• 
  модули взвешивания;
  

• 
  модули управления движением;
  
• 
  модули защиты;
  
• 
  модули скоростного аналогового ввода для систем
  
• 
  измерения в реальном времени.
  

Вопросы для самопроверки:

1. 
   Назвать основные критерии выбора ПЛК.
   
2. 
   Структуры АСУТП и их уровни.
   
3. 
   Уровни АСУТП и требования предъявляемые к ПЛК.
   
4. 
   Свойства контроллеров для АСКУ.
   
5. 
   Характеристика ПЛК по производительности.
   
6. 
   Что такое линейка контроллеров и ее уровни?
   
7. 
   Назвать специализированные модули контроллеров для АСУТП.
   

3 СИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ В АСУТП.
Ключевые слова: модернизация, противоаварийная защита (ПАЗ), аварийные события, обеспечение надежности, метод обработки.
3.1 Необходимость применения противоаварийной защиты
В современной российской промышленности важной особенностью развития является модернизация устаревших автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Необходимость модернизации объясняется следующими причинами:

• 
  критическое состояние основных производственных фондов;
  
• 
  необходимость соблюдения жестких международных стандартов по безопасности производства, особенно взрывоопасного;
  
• 
  необходимость применения в АСУТП современного контроллерного оборудования на базе открытых стандартов, разработок в области систем резервирования и аварийных защит от лидеров рынка систем автоматизации.
  

Рассмотрим самый ответственный элемент АСУТП, применяемый в гибком и взрывоопасном производстве, - системе противоаварийной защите (ПАЗ). Системы ПАЗ находят широкое применение в АСУТП, ввиду возросших требований на аварийную ситуацию, возросшего уровня автоматизации технологических процессов, что приводит к увеличению вероятности возникновения аварийной ситуации.

Системы ПАЗ подразделяются на две структуры:

• 
  ПАЗ в системах безопасности гибких производств;
  
• 
  ПАЗ в АСУТП взрывоопасных производств.
  

3.2 Назначение системы безопасности гибких производств
Системы безопасности гибких производств выполняют функции защиты рабочего персонала и машинного оборудования при возникновении аварийной ситуации.

Модули безопасности либо входят в состав модулей контроллера (например,TSXPAY для семейства контроллеров типа Premium фирмы Schneider Electric), либо являются автономными (PREVENTA, ESTOP) и могут интегрироваться в оборудование шкафа автоматики АСУТП.

Автономные модули безопасности предназначены для мониторинга аварийного останова и используются для безопасного разрыва одной или нескольких схем управления механизмом. Модули удовлетворяют требованиям европейских стандартов EN 418 – для аварийных остановок и EN – 60204-1 – для схем безопасности. Эти стандарты действуют в особых случаях, где к устройству аварийного останова предъявляются требования разомкнуть несколько схем (аварийная остановка косвенного действия). Модули мониторинга аварийного останова оснащены блоком безопасности на аппаратной логике, управляющей аварийным остановом. Это обеспечивает функцию безопасности до категории 3, согласно стандарту EN-954-1. Дополнительно в модулях аварийного останова предусмотрена полная диагностика системы безопасности (чтением состояния кнопок или ограничительных выключателей во входной цепи аварийного останова), контур обратной связи и контроль двух цепей выхода. Системы безопасности, построенные на автономных модулях, отвечают современным стандартам, но используются в основном в централизованных АСУТП и автоматизированных системах с числовым программным управлением (ЧПУ).

В распределенных АСУТП подход в реализации системы безопасности для обслуживающего персонала ПТК и сохранности оборудования должен быть другим.

Необходимость управления устройствами на значительном расстоянии приводит к созданию распределенного блока экстренного аварийного останова (БЭАО), основной механизм управления которого находится в шкафу цехового контроллера или специальном шкафу контроллера БЭАО. Исполнительные БЭАО встраиваются в шкафы автоматики, которые задействованы в экстренном аварийном останове (ЭАО).

Распределенный БЭАО обеспечивает следующие функции:

• 
  мониторинг кнопок пульта аварийного останова для немедленной остановки исполнительного оборудования системы (аварийный останов категории 0 согласно стандарту EN – 418);
  
• 
  аппаратный ЭАО, не зависящий от контроллера;
  
• 
  резервирование цепи ЭАО;
  
• 
  мониторинг источника питания БЭАО;
  
• 
  гальваническая изоляция входных и выходных цепей коммутации БЭАО;
  
• 
  защита входных и выходных цепей коммутации БЭАО от перенапряжения.