1.7 Класифікація асу тп

Класифікацію систем управління можна здійснювати [1, 15, 21] за такими ознаками, як: ступінь автоматизації функцій управління; ступінь складності системи; ступінь визначеності; тип об’єкта управління та ін. Залежно від ступеня автоматизації функції управління розрізняють ручне, автоматизоване та автоматичне управління. Відповідно розрізняють, про що йшлося вище, автоматизовані та автоматичні системи управління.

За ступенем складності системи поділяють на прості і складні. Складним системам притаманні такі особливості: кількість параметрів, які описують систему, дуже велика, тож багато які з цих параметрів не можуть бути кількісно описані та виміряні; цілі управління не можна формально описати без істотних спрощень; неможливо дати строгий формальний опис системи управління.

За ступенем визначеності системи поділяють на детерміновані й імовірнісні (стохастичні). У детермінованій системі за її попереднім станом і деякою додатковою інформацією можна цілком точно передбачити її подальший стан. У ймовірнісній системі на основі такої ж інформації можна передбачити лише велику кількість майбутніх станів і визначити ймовірність кожного з них.

Деякі приклади систем: автопілот літака – проста детермінована система; ЕОМ – складна детермінована система;

система контролю якості продукції – проста ймовірнісна система; виробниче підприємство – складна імовірнісна система.

У закордонній літературі можна зустріти класифікацію АСУ ТП, зідно з якою всі АСУ ТП поділяються на три глобальні класи: – SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Українською мовою цей термін можна перекласти як «система телемеханіки», «система телеметрії» або «система диспетчерського управління». Останнє визначення найточніше відображує сутність і призначення системи – контроль і моніторинг об’єктів за участю диспетчера. Тут необхідне деяке пояснення. Термін SCADA часто використовується в більш вузькому сенсі: багато хто так називає програмний пакет візуалізації технологічного процесу. Однак у цьому розділі під словом SCADA ми будемо розуміти цілий клас систем управління.

– PLC (Programmable Logic Controller), або – «програмований логічний контролер» (ПЛК). Отут, як і в попередньому випадку, наявна двозначність. Під терміном ПЛК часто мається на увазі апаратний модуль для реалізації алгоритмів автоматизованого управління. Проте, термін ПЛК має й більше загальне значення і часто використовується для позначення цілого класу систем.

– DCS (Distributed Control System), або – розподілена система управління (РСУ).

Справедливості заради треба зазначити, що коли на початку 1990-х така класифікація не викликала суперечок, то зараз багато експертів вважають її досить умовною. Це пов’язане з тим, що останніми роками впроваджуються гібридні системи, які за рядом характерних ознак можна віднести як до одного класу, так і до іншого.

SCADA-система

Термін SCADA-система використовують для позначення програмно-апаратного комплексу збирання даних (телемеханічного комплексу) [1, 15, 22, 55].

До основних завдань, що розв’язуються SCADA-системами, відносять:

– обмін даними в реальному часі з ПЗО (пристроєм зв’язку з контрольованим об'єктом). Цим пристроєм може бути як промисловий контролер, так і плата вводу/виводу;

– обробка інформації в реальному часі;

– відображення інформації на екрані монітора в зрозумілій для людини формі (HMI – скор. від англ. Human Machine Interface – людино-машинний інтерфейс) ;

– ведення бази даних реального часу з технологічною інформацією;.

– аварійна сигналізація й управління тривожними повідомленнями;

– підготовка й генерування звітів про хід технологічного процесу;

– створення архіву технологічної інформації (збирання історії);

– забезпечення зв’язку із зовнішніми додатками (СУБД, електронними таблицями, текстовими процесорами й т.д.); у системі управління підприємством такими додатками найчастіше є додатки рівня MES.

Іноді SCADA-системи комплектуються додатковим ПЗ для програмування промислових контролерів. Такі SCADA-системи називаються інтегрованими, і до них додають термін SoftLogiс.

Системи такого класу мають чітке призначення – вони надають можливість здійснювати моніторинг і диспетчерський контроль безлічі віддалених точок (від 1 до 10000 пунктів контролю, іноді на відстані в тисячі кілометрів один від одного) або одного територіально розподіленого об’єкта. Класичними прикладами є:

– нафтопроводи;

– газопроводи;

– водопроводи;

– віддалені електророзподільні підстанції;

– водозабори;

– дизель-генераторні пункти й т.д.

Основне завдання SCADA – це збирання інформації про безліч віддалених об'єктів, що надходить із пунктів контролю, і відображення цієї інформації в єдиному диспетчерському центрі. Крім цього, SCADA має забезпечувати довгострокове архівування отриманих даних. При цьому диспетчер зазвичай має можливість не тільки пасивно спостерігати за об'єктом, але й обмежено їм управляти, реагуючи на різні ситуації.

Загальна структура SCADA-системи

Робота SCADA – це безперервний процес збирання інформації реального часу з віддалених пунктів (об’єктів) для обробки, аналізу й можливого управління. Вимога обробки реального часу зумовлена необхідністю оперативної доставки (видачі) всіх повідомлень і даних на центральний інтерфейс оператора (диспетчера). Разом з тим, поняття реального часу відрізняється для різних SCADA-систем.

Усі сучасні SCADA-системи включають три основні структурні компоненти (рис. 1.8).

Remote Terminal Unit (RTU) – віддалений термінал, що підключається безпосередньо до контрольованого об’єкта й здійснює обробку завдання (управління) у режимі реального часу. Спектр застосувань RTU широкий: від примітивних датчиків, які збирають інформацію з об’єкта, до спеціалізованих багатопроцесорних відмовостійких обчислювальних комплексів, які обробляють інформацію та управляють в режимі жорсткого реального часу [22].

Конкретну його реалізацію визначає специфіка застосування. Використання пристроїв низькорівневої обробки інформації дає змогу знизити вимоги до пропускної здатності каналів зв'язку із центральним диспетчерським пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) - диспетчерський пункт управління (головний термінал); обробляє данні й управління високого рівня, як правило, у режимі м’якого (квазі-) реального часу. Одна з основних функцій – забезпечення людино-машинного інтерфейсу (між людиною-оператором і системою). Залежно від конкретної системи MTU може бути реалізований по-різному: від подинокого комп’ютера з додатковими пристроями підключення до каналів зв’язку до більших обчислювальних систем (мейнфреймів) і/або об’єднаних у локальну мережу робочих станцій і серверів. Зазвичай, і при побудові MTU використовують різні методи підвищення надійності й безпеки роботи системи. Пристрій MTU часто називають SCADA-сервером.

Рис. 1.8. Загальна схема SCADA-системи

Communication System (CS) – комунікаційна система (канали зв’язку) між RTU і MTU. Вона необхідна для передачі даних з віддалених пунктів (RTU) на центральний інтерфейс диспетчера й передачі сигналів управління назад з MTU на RTU. Як комунікаційну систему можна використовувати такі канали передачі даних:

– виділені лінії – власні або орендовані; мідний кабель або оптоволокно;

– приватні радіомережі; – аналогові телефонні лінії;

– цифрові ISDN мережі;

– стільникові мережі GSM (GPRS).

Задля дублювання ліній зв’язку пристрої можна підключати до декількох мереж, наприклад до виділеної лінії та резервного радіоканалу.

Особливості SCADA як процесу управління

Нижче перелічені деякі характерні риси процесу управління в сучасних диспетчерських системах:

– у системах SCADA обов’язкова наявність людини (оператора, диспетчера);

– будь-який неправильний вплив може призвести до відмови (втрати) об’єкта управління або навіть катастрофічних наслідків;

– диспетчер несе, як правило, загальну відповідальність за управління системою, що за нормальних умов, тільки зрідка вимагає підстроювання параметрів для досягнення оптимального функціонування;

– більшу частину часу диспетчер пасивно спостерігає за відображуваною інформацією; активна участь диспетчера в процесі управління відбувається нечасто, зазвичай у разі настання критичних подій – відмов, аварійних і позаштатних ситуацій та ін.;

– дії оператора в критичних ситуаціях можуть бути жорстко обмежені за часом (декількома хвилинами або навіть секундами).

Система PLC

Із самої назви цьго класу стає зрозуміло, що основним компонентом системи є програмувальний логічний контролер – PLC [23]. Системи класу PLC надзвичайно гарні для управління послідовністю технологічних операцій у процесі виготовлення різних виробів (не продукту, а саме виробу). Як правило, ці операції носять дискретний характер і вимагають дуже швидкої реакції з боку автоматики. Типовим прикладом застосування систем PLC є управління формувальною машиною для виготовлення склотари або, наприклад, управління апаратом з наклеювання алюмінієвих кришок на пластикові склянки з йогуртом. Типові завдання систем PLC:

– управління конвеєрними виробництвами;

– управління робототехнікою;

– високошвидкісне управління приводами,

– управління позиціонуючими пристроями;

– сигналізація, оповіщення;

– управління комплектними технологічними машинами.

Для систем PLC характерно те, що вони не вимагають безперервного контролю з боку диспетчера (на відміну від SCADA і DCS), досить періодичної перевірки статусу. Рівень диспетчерського (операторського) управління розвинений слабко й зводиться, як правило, до установки кнопкового пульта управління для запуску/зупинки тієї або іншої технологічної дільниці й відображення аварійних сигналізацій. Більшу частину часу система PLC працює без нагляду з боку людини, тобто в автоматичному (автономному) режимі. Тут по суті PLC наближається до САУ.

Структура системи PLC досить проста – один або кілька програмувальних логічних контролерів, об'єднаних у мережу за допомогою цифрової шини. Обмінюючись шиною даними, контролери можуть взаємодіяти один з одним, що необхідно для їхньої узгодженої роботи. Як уже зазначалося, в разі необхідності до системи також можна підключити пульт локального управління (кнопковий або із рідкокристалічною панеллю – РК-панеллю).

На рис. 1.9 зображена типова структура системи PLC. Чотири програмувальні логічні контролери об’єднані в одну мережу (у цьому випадкові стандарта Industrial Ethernet). До мережі також підключена РК-панель для найпростішого локального управління й відображення аварійних сигналізацій.

Як видно з рисунка, система структурована так, що кожною технологічною установкою (машиною, автоматом) керує свій контролер. Така технологічна розбивка характерна для цього класу систем.

Як правило, у контролерів є електричні входи/виходи для підімкнення до них мережних датчиків, сенсорів, виконавчих механізмів (клапанів, позиціонувальних пристроїв, різних приводів), пристроїв оповіщення й сигналізації. Кількість входів/виходів може бути як фіксованою, так і змінною за допомогою додаткових підімкнених модулів. Такі модулі називаються «модулями введення/виведення» (I/O modules). Контролер безупинно виконує закладену в нього програму управління за наступним циклом: зчитування сигналів із датчиків, математична обробка даних відповідно до певних алгоритмів, формування керуючої дії та її

Рис. 1.9. Типова структура системи PLC

передача на виконавчі механізми. При цьому потрібна висока швидкодія – час виконання всього циклу зазвичай становить не більше 10 – 20 мс.

Для систем класу PLC характерно:

– високошвидкісне управління дискретними операціями;

– відмовостійкість системи управління не критична: у випадку зупинки технологічний процес відновляється в короткий термін і з мінімальними втратами;

– практична відсутність операторського рівня – високий ступінь автономності;

– швидка реакція на дискретні події;

– тверда тимчасова синхронізація роботи декількох вузлів.

DCS – розподілена система управління

Розподілена система управління (РСУ, DCS) [24] – найбільш комплексний клас АСУ ТП. РСУ, як правило, застосовуються для управління безперервними технологічними процесами (хоча сфера застосування РСУ тільки цим не обмежена). До безперервних процесів належать ті, що тривають днями й ночами, місяцями й навіть роками, при чому зупинка процесу, навіть короткочасна, неприпустима. Класичним прикладом безперервного процесу є виготовлення скла у скловарній печі. Якщо піч зупинити, то розплавлена скломаса дуже швидко затвердіє та зруйнує внутрішню кладку. Піч вийде з ладу, і її фактично потрібно буде будувати заново. Тобто, під безперервними процесами маються на увазі ті, зупинка яких може призвести до псування виготовленої продукції, поломки технологічного устаткування та навіть нещасних випадків, а також ті, поновлення яких після зупинки пов’язане з великими витратами. Це сильно відрізняється від конвеєра (застосування систем PLC), який можна зупинити й запустити заново досить швидко, при цьому без яких-небудь глобальних витрат. Сфери застосування РСУ незліченні:

– хімія й нафтохімія;

– нафтопереробка й нафтовидобуток;

– скляна промисловість;

– харчова промисловість: молочна, цукрова, пивна;

– газовидобуток і газопереробка;

– металургія;

– енергопостачання й т.д.

З вищесказаного випливає головна вимога до РСУ – відмовостійкість. Для РСУ відмова, а відповідно й зупинка технологічного процесу, неприпустимі. Висока відмовостійкість досягається резервуванням (як правило, дублюванням) апаратних і програмних компонентів системи, використанням компонентів підвищеної надійності, впровадженням розвинених засобів діагностики, а також за рахунок технічного обслуговування й безперервного контролю з боку людини.

РСУ надзвичайно різноманітні: на їхній базі відбувається автоматизація технологічних установок, виробничих цехів, а іноді й цілих заводів. Для характеристики масштабу РСУ часто використовують спеціальний термін «кількість параметрів введення/виведення». Один параметр введення/виведення – це або сигнал вимірювання, одержуваний з датчика (наприклад, поточний тиск пари в котлі), або керуючий сигнал, що впливає на виконавчий механізм (приміром, команда пуску насоса). Сучасні РСУ здатні обробляти до 50 000 параметрів введення/виведення, що відповідає великому хімічному заводу. Із цього витікає ще дві вимоги до РСУ:

1. Масштабованість. РСУ має однаково добре підходити для автоматизації як однієї установки, так і для всього заводу. При цьому система має легко розширюватися для того, щоб охопити нові виробничі дільниці (цехи). Розширення системи має відбуватися без зупинки вже впроваджених ділянок системи (розширення он-лайн). Це може здаватися нереальним, але саме така мета дійсної РСУ.

2. Простота розробки й конфігурування. Конфігурування таких масштабних систем, як РСУ, – це важка й довга праця. Система має пропонувати інженерам цілий набір наперед підготовлених програмних компонентів і засобів розробки. До них належать: пакети візуального програмування, графічні бібліотеки, функціональні блоки, наперед настроєні мережеві протоколи й інтерфейси. Взагалом, ступінь інтеграції програмних компонентів, що входять до складу РСУ, досить великий. Один із головних принципів побудови РСУ – єдина конфігураційна база системного налаштування. Зміни, виконані в одному програмної модулі системи, мають автоматично відбиватися в усіх залежних модулях.

Із самої назви «розподілена система управління» стає очевидним, що подібні системи можуть охоплювати безліч територіально розподілених об’єктів. Відстань між технологічними установками, об’єднаними в одну систему управління, часом досягає декількох кілометрів. Система може покривати великі площі. Це стало можливим за рахунок застосування сучасних мереж і шин передачі даних, таких як: усім відомий Ethernet або, наприклад, спеціальна промислова шина Profibus DP. При цьому використовуються як мідні кабелі, так і оптоволоконні. Цифрова мережа дає змогу об’єднати рознесені компоненти системи в єдиний програмно-апаратний комплекс.

Типова структура сучасної РСУ зображена на рис. 1.10.

Для більшості РСУ характерна трирівнева модель побудови. На нижньому рівні, рівні введення/виведення (I/O Layer), розташовуються мережеві (польові) прилади (датчики, сенсори, виконавчі механізми), які за допомогою електричних кабелів підключаються до підсистеми польового введення/виведення (I/O subsystem).

Електричний сигнал, що надходить із датчика, у підсистемі вводу/виводу інтерпретується як вимірювання певної фізичної величини (температури води, наприклад), потім сигнал переводиться з аналогової форми в цифрову. У цифровій формі сигнал передається спеціальною шиною до контролера.

Підсистема введення/виведення працює й в іншому напрямі. Після одержання від контролера тією ж шиною команди управління, підсистема введення/виведення переводить її із цифрової форми в електричну аналогову. Сформований електричний сигнал по кабелю

Датчики, сенсори, пристрої, виконавчі механізми

Рис. 1.10. Типова структура сучасної РСУ

подається на відповідний виконавчий механізм.

На рисунку шина, що зв’язує підсистему введення/виведення з контролерами, резервована (дубльована).

Підсистема введення/виведення складається з апаратних модулів введення/виведення. Модулі розрізняються за типом електричного сигналу (за допомогою якого вони взаємодіють із польовими приладами) і за напрямком передачі сигналу. Якщо до модуля підключається датчик, то модуль вводить сигнал в систему й називається модулем введення; якщо до нього підключається виконавчий механізм, модуль виводить сигнал з системи й називається модулем виводу. Образно говорячи, підсистема введення/виведення (підсистема I/O) – це очі й руки системи управління.

На середньому рівні перебувають контролери (CPU) – умовно говорячи, мізки системи. Вони являють собою потужні обчислювальні машини спеціального (промислового) виконання. Їхнє завдання – обробляти інформацію, що надходить з підсистеми введення/виведення й видавати назад керівний вплив. Ця обробка здійснюється відповідно до закладених алгоритмів управління й відбувається циклічно в середньому 10–20 разів на секунду. Для розв’язання складних завдань контролери можуть обмінюватися між собою даними, використовуючи цифрові комунікаційні мережі (у нашому випадкові, Industrial Ethernet).

Контролери РСУ можуть розрізнятися за продуктивністю, функціональністю і архітектурою, хоча існують і загальні вимоги. Одне з них – можливість міняти алгоритми управління «на льоту» (online changes), тобто без зупинки процесу управління. Інша важлива вимога – можливість повного резервування модулів, у тому числі й живлення (резервовані контролери були зображені на рисунку). Пари контролерів, що синхронно виконують ту саму програму управління, страхуючи один одного, називаються «резервованими парами».

Верхній рівень – це рівень операторського управління, що поєднує сервери й операторські робочі станції. Виділений сервер (на рисунку резервований) підтримує комунікацію з підімкненими до нього контролерами й збирає усередині себе архів технологічних параметрів.

Операторські станції – OS (operator station) – являють собою персональні комп'ютери. У рамках клієнт-серверної архітектури вони ведуть обмін даними із сервером, а не прямо з контролером. При цьому операторських станцій може бути кілька десятків.

Операторська станція слугує для відображення технологічної інформації у вигляді інтерактивних графічних мнемосхем, а також для ефективного управління процесом. На мнемосхемах показується повна інформація: параметри введення/виведення, значення процесних змінних, аварійні сигналізації, діагностика апаратних модулів системи, графіки, звіти й т. д. На станції оператор може, наприклад, подивитися показання будь-якого датчика, вручну закрити клапан, запустити насос або змінити температурну уставку.

Часто в системі виділяють інженерну станцію – ES (engineering station). На ній установлюються програмні засоби розробки, за допомогою яких технічний фахівець може централізовано вносити зміни й доповнення в конфігурацію системи. Часто ES доповнюють розширеними засобами діагностики стану системи. На відміну від OS, ES завжди має пряме підключення до контролерів.