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.

Процессоросуществляет 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.

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 – Distributed Control Systems, Smaller Scale).

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.

4. Промышленная локальная сеть. Обычно выделяют, по назначению и функциям коммуникации, двух видов:

- промышленные сети, связывающие контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов,

- полевые каналы и сети, связывающие контроллеры с удаленными (выносными) блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами.

Промышленную локальную сеть называют также промышленной шиной.

Шина – это средство обеспечения взаимодействия близко расположенных объектов. Характерной особенностью шины как устройства является тот факт, что все взаимодействующие компоненты подключаются к шине одинаковым образом. Шины тем или иным образом присутствуют на всех уровнях автоматизации. В настоящее время наиболее распространены следующие топологии сетей.

1) Общая шина.

Рис. 6. Топология сети «Общая шина».

- возможно подключение / отключение устройств во время работы;

- опасность потери связи при одиночном обрыве;

- присутствие общего трафика во всей системе;

- широко используется для сильно распределенных объектов (дешевизна).

2) «Кольцо».

Рис. 7. Топология сети «Кольцо».

- хорошая пропускная способность;

- высокая стоимость;

- нерациональное использование сетевого трафика;

- потеря синхронизации всей сети в случае отказа хотя бы одного из узлов.

3) «Звезда».

Рис. 8. Топология сети «Звезда».

- дополнительная защита сети от выхода узлов из строя;

- опасность аварии при выходе из строя устройства связи;

- оптимизация трафика.

Промышленная сеть обладает рядом специфических особенностей, выделяющих ее в отдельный класс, отличный от информационных сетей:

- работа в режиме реального времени;

- необходимость предсказуемости времени передачи сообщений и гарантия их доставки по назначению;

- отсутствие передаваемых больших массивов информации;

- обязательная повышенная надежность передачи данных в промышленной среде (в частности, при электромагнитных помехах);

- предпочтительная работа на недорогих физических средах;

- возможность больших расстояний между узлами сети;

- упрочненная механическая конструкция аппаратуры сети.

4. Последнее время появился международный стандарт на промышленную и полевую управляющие сети - стандарт IEC 61158. По этому стандарту следующие сети признаны стандартными промышленными управляющими сетями:

- Technical specification TS 61158;

- ControlNet;

- Profibus;

- P-Net;

- Foundation Fieldbus;

- SwiftNet;

- WorldFip;

- Interbus.

Следует подчеркнуть, что из всех этих сетей подавляющее распространение в мире получили сети Profibus и Foundation Fieldbus.

5. Уровень АРМ подробно рассматривается во втором разделе данного пособия, посвященном SCADA-системам.

6. Сервер(управляющая ЭВМ). На уровне управляющих ЭВМ решаются следующие задачи:

- управление технологическими контроллерами;

- ведение архивов технологической информации;

- обеспечение работы автоматизированных рабочих мест (АРМов).

Лекция 3.