1.1.4. Многоуровневая архитектура

Рис. 1.8. Типовая современная распределенная система автоматизации, включающая три уровня иерархии (см. также рис. 1.9)

Промышленная сеть может быть подключена не только к одному компьютеру, как показано на рис. 1.7, но и к сети компьютеров, например к локальной сети Ethernet (рис. 1.8) или глобальной сети «Интернет». Такая архитектура автоматизированной системы удобна при коллективной работе с системой автоматизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим. Например, при использовании системы с архитектурой, показанной на рис. 1.8, температуру в теплице или в силосах элеватора одновременно могут наблюдать дежурный оператор, главный инженер и директор хозяйства. На алюминиевом заводе [22] информация о ходе протекания процесса электролиза алюминия используется на 50 рабочих местах локальной компьютерной сети.

Операторские станции

Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контроллерам осуществляется с помощью ОРС-сервера (см. главу 9 и [25]). ОРС- серверы могут располагаться на нескольких компьютерах или контроллерах, и доступ к любому из них может осуществляться с любого компьютера сети. Пример архитектуры такой системы показан на рис. 1.8. Она является достаточно общей и широко используется как для лабораторной автоматизации, так и для автоматизации технологических процессов. Отдельные промышленные сети могут иметь различные протоколы и содержать оборудование разных производителей, а также различную физическую среду передачи данных — оптоволокно, медные провода, радиоэфир (через радио- или GSM-модемы) и др. Обычно ОРС-сервер работает только с одним или несколькими портами ввода-вывода компьютера, к каждому из которых подключена одна промышленная сеть, поэтому количество ОРС-серверов в системе меньше или равно количеству промышленных сетей. Благодаря наличию сети Ethernet в систему легко могут быть включены серверы баз данных, коммуникационные серверы, веб-серверы, принтеры, плоттеры, АТС, факсы, технологическое оборудование и другие устройства с Ethernet-интерфейсом [26].

Основой программного обеспечения, установленного на компьютерах сети, являются SCADA-пакеты — программные средства диспетчерского управления и сбора данных. В контроллерах исполняются загрузочные модули программ, генерируемые средствами визуального программирования ПЛК на языках стандарта МЭК 61131-3 (см. главу 9).

Системы управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу, когда структура системы выбирается подобной структуре объекта автоматизации, а каждая подсистема является локальной, т.е. все обратные связи замкнуты в пределах этой подсистемы. Каждая локальная подсистема выполняет отдельную функцию, задаваемую логикой функционирования всей системы. Объектный принцип построения позволяет упростить проектирование многоуровневой системы и обеспечить ее структурную (архитектурную) надежность.

Анализ сложных систем управления позволяет выделить в них несколько однородных уровней иерархии, показанных на рис. 1.9. Здесь WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, LAN (Local Area Network) — локальная сеть.

Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства (актуаторы): датчики температуры, давления, концевые выключатели, дискретные датчики наличия напряжения, измерительные трансформаторы, реле-пускатели, контакторы, электромагнитные клапаны, электроприводы и др. Датчики и актуаторы могут иметь интерфейсы типа AS-интерфейс (ASI), 1-Wire или CAN, HART и др. Морально устаревшими интерфейсами нулевого уровня являются аналоговые интерфейсы 4...20 мА, 0...20 мА, 0...5 В и др. В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес и выполняют автоматическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика. Интеллектуальные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаменяемости, в частности иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика.

Первый уровень состоит из программируемых логических контроллеров и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уровень иерархии.

Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций — компьютеров с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ, HMI — Human Machine Interface), наиболее распространенными вариантами которого являются SCADA-пакеты.

Рис. 1.9. Уровни иерархии современной АСУ

Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за ходом технологического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Диспетчерский компьютер выполняет также архивирование собранных данных, записывает действия оператора, анализирует сигналы системы технической диагностики, данные аварийной и технологической сигнализации, сигналы срабатывания устройств противоаварийных защит, а также выполняет часть алгоритмов управления технологическим процессом. Благодаря объединению диспетчерских компьютеров в сеть наблюдение за процессами может быть выполнено с любого компьютера сети, но управление, во избежание конфликтов, допускается только с одного компьютера или функции управления разделяются между несколькими компьютерами. Права операторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Важной частью второго уровня являются также базы данных реального времени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления.

Третий уровень (уровень управления цехом) появляется как средство интеграции системы АСУ ТП с АСУП — автоматизированной системой управления предприятием. АСУП в зависимости от размеров корпорации может включать еще более высокий (четвертый) уровень и обеспечивать интеграцию с высшим руководством, которое может быть расположено в различных странах и на разных континентах земного шара. На уровне АСУП решаются следующие задачи:

ERP (Enterprise Resource Planning) — планирование ресурсов предприятия;

MRP (Manufacturing Resource Planning) — планирование ресурсов технологических подразделений предприятия;

MES (Manufacturing Execution Systems) — управление производственными ресурсами;

HRM (Human Resource Management) — управление человеческими ресурсами;

ЕАМ (Enterprise Asset Management) — управление основными фондами, техническим обслуживанием и ремонтами.

Количество уровней АСУ зависит от величины предприятия. В последние годы большой интерес вызывало использование Интернет- технологий в задачах управления, причем не только на уровне корпоративного управления, но даже на уровне технологического оборудования. Для этих целей используются web-серверы, которые могут быть расположены как на обычных персональных компьютерах, так и непосредственно в контроллерах или модулях ввода-вывода (так называемые микро-web-серверы). С помощью любого web-браузера, например Internet Explorer, можно управлять технологическими процессами, открыв на микро-web-сервере Интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса (см. следующий раздел).