1.3. Автоматизированные системы управления

Тип системы зависит от того, как принимается решение по управлению. Если в процессе принятия решения участвует человек, то такая система называется автоматизированной (АСУ), если человек исключен из процесса, то это — автоматическая система управления (САУ).

Автоматизированная система управления (ACУ) - система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая управляющую технологию выполнения установленных функций.

Роль персонала заключается, прежде всего, в наблюдении за ходом технологического процесса или производственного процесса на предприятии. При необходимости человек принимает решения по изменению задач управления, реализация этих решений может быть выполнена как человеком, так и управляющей системой. Участие человека в управлении возможно как непосредственно на отдельном участке технологического процесса, так и при организации управления цехом или предприятием.

По физической природе объекта управления различают системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), где объект управления представляет собой физический объект, и системы управления экономико-организационного типа, в которых объектом управления является хозяйственная деятельность. В последнее время создаются системы управления, в которых присутствуют объекты обоих типов. Структуру такой автоматизированной системы управления принято изображать в виде иерархической структуры, в которой выделяют следующие уровни (рис. 3).

Нулевой уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства (датчики температуры, давления, концевые выключатели, дискретные датчики наличия напряжения, измерительные трансформаторы, реле-пускатели, контакторы, электромагнитные клапаны, электроприводы). Датчики поставляют информацию о состоянии процесса, а исполнительные устройства реализуют управляющее воздействие на объект.

Рис. 3. Иерархическая структура автоматизированной системы управления

Первый уровень управления состоит из программируемых логических контроллеров (ПЛК) и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уровень иерархии.

1. ПЛК выполняют следующие функции:

2. - сбор и обработка информации о параметрах технологического объекта управления (ТОУ);

- формирование сигнала управления исполнительными устройствами с целью поддержания параметров производственных процессов постоянными или изменяющимися по заданному закону;

- получение информации о выходе измеряемых параметров за допустимые для данного объекта значения;

- решение задач программно логического управления электроприводами оборудования.

Как правило, технологический объект управления включает элементы

электрооборудования: приводы насосов, шнеков и других агрегатов, а так же приводы технологической арматуры – электрозадвижек, клапанов и т.д. В системе автоматизации осуществляется не только программно логическое управление этим электрооборудованием, а также его защита и блокировка.

Защита — это комплекс средств и мероприятий по предохранению агрегатов и установок при нарушениях технологических режимов.

Блокировка — комплекс средств и мероприятий, предохраняющих участок установки или агрегат от неправильных операций вследствие невнимательности оператора или ошибочных команд. Различают две группы блокировки: запретно - разрешающую и аварийную.

Запретно-разрешающие блокировки предотвращают неправильные включения и отключения механизмов, а также нарушение установленной технологическими требованиями очередности пуска и остановки различных механизмов.

Аварийные блокировки предназначены для автоматического последовательного отключения (включения) механизмов в соответствии с режимом работы агрегата, подвергшегося аварийному отключению.

Блокировочные устройства применяют также в случаях, когда требуется исключить одновременную подачу команд противоположного знака на один и тот же регулирующий орган из разных мест или от автоматического и дистанционного управления, когда оба вида управления действуют параллельно.

В качестве локальных PLC в системах управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки, и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких входных сигналов до нескольких сот.

Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций - компьютеров с человеко-машинным интерфейсом, наиболее распространенными вариантами которого являются SCADA-пакеты. SCADA - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

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.

Таким образом, на диспетчерском уровне решаются задачи:

- дистанционного измерения и регистрации основных режимных параметров - получение информации о значениях переменных параметров, характеризующих состояние объекта управления (температура, давление, расход, плотность и т.д.);

- сигнализации предельных значений этих параметров;

- управление технологическим процессом - принятие решений и выдачу на объект управления совокупности воздействий, выполняемых на основании информации о ходе технологического процесса.

Третий уровень (уровень управления цехом) появляется как средство интеграции системы АСУ ТП с АСУП - автоматизированной системой управления предприятием. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

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;

• EAM (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-веб-сервере интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса.

Бурное развитие микропроцессорной техники дало возможность строить системы управления, состоящие из узлов, обмен данными между которыми осуществляется по цифровым промышленным сетям (ЦПС). С другой стороны, с ростом количества датчиков, увеличением площади территории, на ко­торой расположена автоматизированная система и усложнением алгоритмов управления становится более эффективным применение распределенных систем управления (РСУ).

Распределенную систему управления (РСУ, DCS — Distributed Control System) можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи. В предельном случае элементы системы могут находиться на разных континентах земного шара, а связь между ними может выполняться через Интернет. Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.

Таким образом, можно выделить основные достоинства РСУ и характеристики, отличающие ее от централизованной.

1. Повышенные информационные способности цифрового канала передачи данных.

Если раньше по одной паре проводников можно было получить только одно единственное текущее значение измеряемой величины или передать исполнительному механизму только одну команду, то теперь количество передаваемых данных зависит только от возможностей оконечных устройств (Д и ИМ). Информационный канал становится двунаправленным, что дает возможность удаленной параметризации и калибровки оконечных устройств.

2. Большее по сравнению с централизованными системами быстродействие благодаря распределению задач между парал­лельно работающими процессорами;

3. Высокая надежность, которая является следствием следующих факторов:

а) передача данных в цифровом виде, по сравнению с аналоговым малочувствительна к помехам,

б) гарантирует доставку информации благодаря встроенным в протоколы ЦС механизмам обмена;

в) выход из строя одного узла не влияет или влияет незначительно на обработку технологических алгоритмов в остальных узлах.

г) снижение нагрузки на центральное управляющее устройство.

Некоторые модули УСО, входящие в состав распределенных систем. позволяют по команде из компьютера или центрального ПЛК выполнять функции автоматического. Наличие ПИД-регулятора в таких устройствах распределенной системы позволяет осуществить локальное регулирование.

3. Снижение объема кабельной продукции, пониженные требования к кабелю и более низкая его стоимость; Снижение расходов на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства.

В распределенной системе модули УСО, обеспечивающие связь аналоговых датчиков с ПЛК изготавливаются с небольшим количеством входов (обычно от 1 до 16), и располагаются вблизи места установки датчиков. Это сокращает общую длину проводов системе, а также длину проводов с аналоговыми сигналами.

4. Высокая гибкость и модифицируемость (реконфигурирование) системы. Возможность ее наращивания. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода, и даже целых узлов, требует минимальных монтажных работ и может проводится без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и занимает минимальное время.

5. Большая по сравнению с централизованной системой простота проектирования, настройки, диагностики и обслужи­вания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из модулей системы,

6. Более мягкие требования к операционным си­стемам (ОС) реального времени, поскольку задачи, распределе­ны между параллельно работающими контроллерами, на каждом из которых установлена отдельная ОС.

7. Использование коммерчески доступных компонентов (ПЛК, модулей УСО, датчиков, исполнительных устройств). Стандартизация типовых сетевых решений дает возможность разработчикам АСУ ТП применять оборудование различных фирм, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру.

Наиболее распространены в России сети Profibus, что связано с популярностью изделий фирмы Siemens, а также сети Modbus с физической шиной RS-485 благодаря распространенности модулей и контроллеров фирмы Advantech. За последние годы стремительно возросло количество используемых сети Ethernet (точнее, Industrial Ethernet) в качестве промышленных сетей при скорости передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с.

8. Программирование распределенных систем автоматизации выполняется стандартными средствами.

На рис. 3 представлена структура многоуровневой распределенной системы управления. Она является иерархической, то есть нижние уровни подчиняются вышестоящим. Она является распределенной, так как состоит из многих компьютеров и ПЛК, между которыми распределены функции сбора, обработки данных и управления.