лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
2. Структура и функции АСУТП.  Рис.2. Структура АСУТП. На рисунке 2 приведена примерная структура современной АСУТП. 1. Объект управления представляет собой комплекс технологического оборудования. 2. Датчики и исполнительные механизмы – устройства, предназначенные для преобразования технологических параметров в информационные показатели и обратно. Датчик – устройство для преобразования физической величины технологического процесса в стандартный электрический сигнал, передаваемый далее в контроллер. Исполнительный механизм – устройство для преобразования электрического сигнала, поступающего от контроллера, в то или иное физическое воздействие (например: изменение положения заслонки, открывание - закрывание клапана и т.д.). Существует огромное множество типов датчиков и исполнительных механизмов. 3. Контроллер. Данное понятие широко распространено в вычислительной технике. Вообще, контроллер (от англ. to control - управлять) – это некое устройство, выполняющее функцию связи между ЭВМ и каким-либо внешним или периферийным объектом. Применительно к АСУТП, контроллер – это электронное устройство с программным управлением и расширенными аппаратными возможностями измерения, управления и связи. Иначе говоря, контроллер представляет собой электронную схему, управляющую технологическим оборудованием, собирающую и анализирующую данные, на основе которых принимаются те или иные решения. Основное назначение контроллера – связь между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и уровнем управляющих ЭВМ (серверов). Конструктивно контроллер представляет собой отдельное устройство, имеющее собственное питание. Контроллер может, как правило, функционировать автономно. При этом контроллер выполняется защищенным от пыли, влаги, электромагнитных излучений. В качестве локальных программируемых логических контроллеров (ПЛК) в настоящее время применяется большое количество устройств как отечественных, так и зарубежных производителей. Примерная структура ПЛК приведена на рисунке 3. Блок согласования сигналов осуществляет электрическое согласование датчиков и исполнительных механизмов с входом блока преобразования сигналов. Блок преобразования сигналов преобразует аналоговый электрический сигнал, поступающий от датчиков, в цифровую форму и передает его центральному процессору, а также преобразует  Рис. 3. Примерная структура ПЛК. управляющие сигналы процессора в форму, необходимую для управления исполнительными механизмами. Процессор осуществляет управление всеми блоками контроллера, математическую обработку измеренных технологических параметров, организует хранение данных в блоке памяти, а также осуществляет передачу данных через интерфейс в локальную вычислительную сеть (ЛВС). В данном случае роль ЛВС играет промышленная локальная сеть. Основные задачи, решаемые контроллером: - измерение, опрос и управление оборудованием; - первичное преобразование результатов измерений; - хранение локального архива данных; - быстрая и надежная доставка информации на следующий уровень автоматизации; - обеспечение автономной и бесперебойной работы управляемого узла объекта автоматизации; - автоматическое управление локальным узлом автоматизации. Информация с локальных контроллеров может направляться в промышленную сеть непосредственно, либо через контроллеры верхнего уровня – концентраторы (см. рис 4). Концентраторы – это коммуникационные контроллеры; они выполняют функции вторичной обработки информации (преобразование, накопление, сжатие), а также выполняют функции локального управления небольшими группами контроллеров, разгружая тем самым системы верхнего уровня.  Рис. 4. Способы подключения контроллеров к локальной сети. Перечислим задачи, решаемые концентраторами: - сбор данных с локальных контроллеров; - обработка данных; - поддержание единого времени во всей системе (синхронизация); - локальная синхронизация работы контроллеров; - хранение технологических данных; - организация взаимодействия между локальными контроллерами; - обмен информацией с верхним уровнем; - работа в автономном режиме при нарушении связи с верхним уровнем; - обеспечение резервирования каналов передачи данных. К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на поступающие сигналы и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОС РВ). Контроллеры под управлением ОС РВ функционируют в режиме жесткого реального времени. Классы микропроцессорных комплексов  Рис. 5. Классы микропроцессорных комплексов. 1. Контроллер на базе персонального компьютера (PCbasedcontrol). Это направление существенно развилось в последнее время, ввиду повышения надежности работы персональных компьютеров; наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении; их открытой архитектуры; легкости включения в них любых блоков ввода/вывода, выпускаемых рядом фирм; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления). Основные сферы использования контроллеров на базе PC - специализированные системы автоматизации в медицине, в научных лабораториях, в средствах коммуникации, в промышленности для небольших достаточно замкнутых объектов. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит десятков, а выполняемыми функциями являются либо достаточно сложная обработка измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо расчеты по специализированным формулам, аргументами которых являются измеряемые величины. В общих терминах можно указать условия рациональной области применения контроллеров на базе PC в промышленности: - при нескольких входах и выходах объекта надо производить большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени (необходима большая вычислительная мощность); - средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы обычных персональных компьютеров; - нет необходимости в использовании жесткого малого времени цикла контроллера; - реализуемые контроллером функции целесообразнее в силу их нестандартности программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня типа C++, Pascal; - мощная поддержка работы операторов, реализуемая в обычных контроллерах: диагностика работы, устранение неисправности без остановки работы контроллера, модификация программного обеспечения во время работы системы автоматизации - не имеет большого значения для заданной конкретной задачи. На рынке PC based control работает в России весьма успешно ряд зарубежных компаний: Octagon, Advantech, Analog Devices и др. 2. Локальныйконтроллер (PLC - Programmable Logic Controller). В настоящее время распространяются несколько типов локальных контроллеров: - контроллер, встраиваемый в оборудование (агрегат, машину, прибор) и являющийся его неотъемлемой частью. Примеры такого "интеллектуального" оборудования: станки с программным управлением, автомашинисты, современные аналитические приборы: - автономный контроллер, реализующий функции контроля и управления небольшим, достаточно изолированным технологическим узлом (объектом). Контроллеры, обычно, могут иметь десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов: их вычислительная мощность может быть разной (малые, средние и большие контроллеры): они реализуют типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации в другие средства/системы автоматизации. Примеры продукций зарубежных фирм, относящихся к этому классу программно-технических комплексов (ПТК), приведены ниже • General Electric Fanuc Automation выпускает контроллеры серии 90 Micro; • Rockwell Automation выпускает контроллеры серии Micrologix 1000; • Schneider Electric выпускает контроллеры серии TSX Nano; • Siemens выпускает контроллеры серии С7-620. 3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network). Этот класс ПТК является наиболее широко распространенным и внедряемым средством управления технологическими процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав такого средства: • ряд контроллеров; • несколько дисплейных рабочих станций операторов; • системная (промышленная) сеть, соединяющая контроллеры и рабочие станции между собой. Контроллеры определенного сетевого комплекса имеют обычно ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, максимально возможным числом каналов входов и выходов. Это облегчает использование определенного сетевого комплекса для разных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под разные отдельные узлы автоматизируемого агрегата и под разные функции контроля и управления. Рассматриваемые сетевые комплексы контроллеров имеют верхние ограничения как по сложности выполняемых функций (обычно, типовые функции измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин (обычно, отдельный технологический агрегат, производственный участок). Большинство работающих в СНГ зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы контроллеров. Отметим, к примеру сетевые комплексы малых контроллеров (порядка сотен входов/выходов на контроллер): • комплексы серий контроллеров DL 205, DL 305 фирмы Koyo Electronics; • комплексы серий контроллеров TSX Micro фирмы Schneider Electric; • комплексы серии контроллеров SLC-500 фирмы Rockwell Automation; • комплексы серии контроллеров CQM1 фирмы Omron. Примеры сетевых комплексов больших контроллеров (порядка тысяч входов/выходов на контроллер) возьмем из продукции этих же фирм· • комплексы серии контроллеров DL 405 фирмы Коуо Electronics; • комплексы серий контроллеров TSX Premium фирмы Schneider Electric; • комплексы серии контроллеров PLC-5 фирмы Rockwell Automation; • комплексы серии контроллеров С200 фирмы Omron. 4. Распределенные маломасштабные системы управления (DCS – DistributedControlSystems, SmallerScale). Этот класс микропроцессорных средств частично пересекается с классом сетевых комплексов контроллеров, но в среднем превосходит большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и/или гибкости структуры, а следовательно, и по объему и сложности выполняемых функций. В целом он еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства и по реализуемым функциям. Основные отличия данных средств от сетевых комплексов контроллеров заключаются в несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, развитую многоуровневой сетевой структуре, в большей мощности центральных процессоров контроллеров, в широком использовании отдельных конструктивов удаленных блоков ввода/вывода, рассчитанных на работу в различных условиях окружающей среды; в более развитой и гибкой связи с полевыми приборами и с корпоративной сетью предприятия. Зачастую они имеют несколько уровней системных сетей, соединяющих контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и рабочей станции отдельного компактно расположенного технологического узла и верхний уровень, реализующий связи средств управления отдельных узлов друг с другом и с рабочей станцией диспетчера всего автоматизируемого участка производства). В ряде случаев развитие сетевой структуры идет в направлении создания ряда полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами (датчиками и исполнительными устройствами). Такие достаточно простые и дешевые сети позволяют передавать информацию между контроллерами и полевыми интеллектуальными приборами в цифровом виде по одной витой паре, что резко сокращает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой информации на значительные расстояния. В целом маломасштабные распределенные системы управления охватывают отдельные цеха и участки производства и, в дополнении к обычным функциям контроля и управления, часто могут реализовывать более сложные и объемные алгоритмы управления (например, задачи статической и динамической оптимизации работы автоматизируемого объекта). При этом сами сложные алгоритмы в зависимости от их объема и требуемой динамики выполнения реализуются либо в самих контроллерах, либо в вычислительных мощностях пультов операторов. Следует отметить, что, используя нечеткость границ классификации ПТК и их изменчивость во времени, связанную с непрерывной модернизацией отдельных составляющих ПТК. некоторые фирмы, в рекламных целях, называют свои достаточно ограниченные по мощности и возможностям сетевые комплексы контроллеров распределенными системами управления. Ряд распространяемых в СНГ зарубежными фирмами ПТК можно отнести к данному классу средств. Примеры маломасштабных распределенных систем: • ControlLogix разработки фирмы Rockwell Automation; • Simatic S7-400 разработки фирмы Siemens; • TSX Quantum разработки фирмы Schneider Electric. 5. Полномасштабные распределенные системы управления (DCS, FullScale). Данный класс ПТК имеет все особенности вышеперечисленных классов микропроцессорных средств управления и дополнительно имеет ряд из перечисленных ниже свойств, влияющих на возможности полномасштабного использования этих средств на предприятиях: a) Развитая сетевая структура. - наличие всех трех уровней сетей (информационная, системная, полевая) с имеющимися вариантами сетей отдельных уровней; - использование мощных системных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и пультов) и распределять эти узлы на значительные (многокилометровые) расстояния; - высокие скорости основных сетей и поддержка ими приоритетной передачи важнейших сообщений/команд; - широкое и проработанное в масштабах данной системы использование информационных сетей (обычно, сети Ethernet) для связи рабочих станций операторов друг с другом, для их связи с серверами баз данных, для взаимодействия данного ПТК с корпоративной сетью предприятия, для возможности построения необходимой иерархии управляющих центров (планирование, диспетчеризация, оперативное управление); б) Широкий диапазон мощностей входящих в систему контроллеров. - вариантность по числу обслуживаемых входов/выходов (от сотен до десятков тысяч опрашиваемых датчиков); - наличие модификаций, различающихся мощностью основного микропроцессора, быстродействием, объемами памяти разного типа, возможностями резервирования, степенью защиты от неблагоприятных условий окружающей среды; - возможность в некоторых мощных модификациях контроллеров реализовать многие современные высокоэффективные, но сложные и объемные алгоритмы контроля, диагностики, моделирования, управления. в) Разнообразие вариантов блоков ввода/вывода. - наличие встроенных в контроллер и удаленных блоков ввода/вывода, рассчитанных на практически любые типы датчиков и исполнительных механизмов; - модификации удаленных блоков ввода/вывода для разнообразных условий промышленной окружающей среды; - варианты «интеллектуальных» блоков ввода/вывода, реализующих, в том числе, простейшие алгоритмы контроля и управления; г) Широта модификаций рабочих станций. - возможный выбор вариантов рабочих станций по мощности и назначению: стационарные и переносные пульты операторов технологических процессов, диспетчерские рабочие станции, контролирующие рабочие станции руководящего персонала, инженерные станции; - работа взаимодействующих рабочих станций управления в клиент/серверном режиме; - конструктивное оформление пультов операторов с учетом эргономических требований. д) Современность программного обеспечения системы. - развитые сетевые SCADA-программы, имеющие модификации для различных уровней управления; - набор технологических языков, обеспечивающих задачи контроля, логического управления, регулирования и имеющих мощные библиотеки типовых программных модулей, включающих в себя ряд эффективных современных модулей типа «Advance Control»; - наличие в составе программного обеспечения системы ряда прикладных пакетов программ, реализующих функции эффективного управления отдельными агрегатами (многосвязное регулирование, нейрорегуляторы и регуляторы на нечеткой логике оптимизация и т. д.), функции диспетчерского управления участками производства (компьютерная поддержка принятия управленческих решений), функции технического учета и планирования производства в целом; - пакет программ автоматизации проектирования и документирования системы автоматизации. е) Развитость верхнего уровня управления производством. - проработка средств хранения и обмена информацией с другими системами автоматизации разных уровней управления и разного назначения; - наличие программных и технических средств построения ряда уровней управления производством: планирования, диспетчеризации, оперативного управления участками, динамического управления отдельными агрегатами; - включение в комплекс ряда функций по обслуживанию производства (типа управления складами, обслуживания оборудования, контроля за движением материальных потоков). Примеры фирм: АББ - Symphony; Honeywell - ТРС и PlantScape; Valmet - Damatic XDi; Yokogava -Centum CS, Foxboro - I/A Series, Emerson - DeltaV и др. |