5. Структурные схемы ас
Для технологических процессов металлообработки, как и для многих других производственных прпоцессов характерна значительная рассредоточенность объектов управления по площадям.
С другой стороны, многие технологические объекты сосредоточены на сравнительно небольших площадях. Это объекты подготовки.
Очевидно, комплекс технических средств и организация каналов связи при автоматизации таких объектов различны.
Управление технологическими процессами сводится к управлению оборудованием - электроцентробежными или штанговыми насосами, групповыми замерными установками, кранами. Централизованное управление реализуется командами открыть, закрыть, включить, выключить, остановить, запустить (дискретное управление). Управление на полевом уровне сводится к автоматическому регулированию технологически параметров. Широко развиты функции контроля, сигнализации аварийных ситуаций, блокировок.
Объектами промысловой подготовки являются различные сепараторы, насосы, отстойники. Наряду с задачами контроля и сигнализации отклонений здесь широко развиты функции стабилизации технологических параметров в режиме с обратной связью (непрерывное управление). Управление такими процессами требует применения более сложных алгоритмов (каскадные системы, системы с компенсацией возмущений, системы со взаимозависимыми параметрами, адаптивные системы, системы оптимального управления).
Объектами управления в технологических процессах транспорта являются насосные и компрессорные агрегаты, узлы учета, вспомогательное оборудование, а также линейные участки. Для линейных участков характерны контроль параметров, сигнализация отклонений и дискретное управление кранами и задвижками. К тому же эти объекты удалены от пунктов управления на значительные расстояния. В то же время насосные и компрессорные станции - «компактные» объекты, при автоматизации которых наряду с контролем, сигнализацией и дискретным управлением часто реализуются функции непрерывного управления (регулирования).
Исходя из особенностей объектов автоматизации, выдвигаются и соответствующие требования к архитектуре, а также аппаратным и программным средствам АСУ ТП.
Для автоматизации непрерывных технологических процессов подготовки, заводских процессов, а также химических процессов наиболее востребованы DCS-системы (в терминологии РФ АСУ ТП). В таких системах все известные функции автоматизации распределены между различными аппаратными средствами системы управления. Каждый компонент системы узко специализирован и «занимается своим делом». Наиболее характерная черта управляющих процессоров DCS-систем - способность выполнять как алгоритмы управления технологическим оборудованием, так коммуникационные протоколы связи с центральными узлами принятия управленческих решений.
Для рассредоточенных объектов в качестве программных средств диспетчерского управления применяют SCADA-системы. Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления функциями большого количества распределенных устройств (часто находящихся на большом расстоянии друг от друга и от диспетчерского пункта). Количество возможных устройств, работающих под управлением систем диспетчерского контроля и управления, велико и может достигать нескольких сотен. Для этих систем наиболее характерной задачей является сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными терминальными компьютерными устройствами (RTU).
На рис. 3,4 и 5 представлены структурные схемы комплексов технических средств многоуровневой системы управления технологическими процессами в промышленности с различных точек зрения при решении задач проектирования. Как правило, это двух- или трехуровневые системы. На этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно -аппаратной платформой. В общем случае нижний уровень (полевой) состоит из первичных датчиков (измерительных преобразователей), осуществляющих сбор информации о ходе технологического процесса, приводов и исполнительных устройств, реализующих регулирующие и управляющие воздействия, кабельных соединений, клеммников и нормирующих преобразователей.
Средний уровень (контроллерный) состоит из контроллеров и прочих устройств аналого-цифрового, цифро-аналового, дискретного, импульсного и т.п. преобразования, и устройств для сопряжения с верхним уровнем управления (коммуникационных модулей). Отдельные контроллеры могут быть объединены друг с другом при помощи контроллерных сетей. Контроллерные сети строятся на базе каналов связи RS-232, RS-485, Ethernet.
Верхний уровень (информационно-вычислительный) состоит из компьютеров объединенных в локальную сеть Fast Ethernet (возможно Ethernet) с использованием в качестве передающей среды медной витой пары или (при больших расстояниях) оптоволокна. Протокол передачи данных – для удаленных подключений TCP IP, для локальных возможно также применение IPX.
Датчики с нижнего уровня поставляют информацию среднему уровню управления локальным контроллерам (PLC), которые могут обеспечить реализацию следующих функций:
- сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии оборудования и параметрах технологического процесса;
- автоматическое логическое управление и регулирование;
исполнение команд с пункта управления;
самодиагностику работы программного обеспечения и состояния самого контроллера;
- обмен информацией с пунктами управления.
Рис.4 Трехуровневая структура АСУ ТП
Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, то это позволяет существенно снизить требования к пропускной способности каналов связи.
Рис.5 Функции трех- уровневой структуры управления
ПЛК контроллеры обычно исполняют роль ОРС серверов в клиент -серверной технологии взаимодействия со SCADA - системой.
Информация с локальных контроллеров направляется в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции (рис.5). Некоторые из них перечислены ниже:
сбор данных с локальных контроллеров;
обработка данных, включая масштабирование;
поддержание единого времени в системе;
синхронизация работы подсистем;
организация архивов по выбранным параметрам;
обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;
работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;
резервирование каналов передачи данных и др.
Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть установлен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции). Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.
Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. В зависимости от поставленной задачи на диспетчерском уровне реализуются следующие функции:
Измерение, контроль и отображение технологических параметров и состояния технологического оборудования.
Регистрация и анализ истории изменения (трендов) параметров технологических процессов.
Регулирование технологических параметров.
Оптимизация работы насосных агрегатов и газовых компрессоров по удельному расходу электроэнергии на перекачку жидкости или газа.
Оптимизация работы насосных агрегатов и поддержание технологического режима закачки агента по разным направлениям.
Дистанционное, автоматическое и ручное управление регуляторами, запорными клапанами и задвижками.
Пуск и остановку технологического оборудования.
Предупредительная и аварийная сигнализация, блокировка технологического оборудования, контроль срабатывания защит и блокировок.
Протоколирование аварийных ситуаций и действий оперативного персонала.
Вибродиагностику насосных и компрессорных агрегатов и электроприводов.
Контроль состояния (целостности и пропускной способности) коллекторов и внутриплощадочных трубопроводов.
Подготовка и выдача рапортов, отчетов, справок.
Связь с АСУ производственного назначения.
Эти задачи и призвано решать прикладное программное обеспечение SCAD A, ориентированное на разработку и поддержание интерфейса между диспетчером/оператором и системой управления, а также на обеспечение взаимодействия с внешним миром.
Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами, а также с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода с помощью специализированных сетей удаленного ввода/вывода и полевых шин.
Связующим звеном между локальными контроллерами и контроллерами верхнего уровня, а часто и пультами оператора являются управляющие сети.
Связь различных АРМ оперативного персонала между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей.