Глава 9. Распределенные системы управления
9.1. Общие замечания
Распределенной Системой Управления (DCS - Distributed Control Systems) принято называть большую систему управления, поставляемую в полном комплекте одним производителем. При этом в комплект системы всегда входят контроллеры, платы и модули ввода/вывода, сетевое оборудование, рабочие станции, программное обеспечение - все от одного производителя.
Часто производитель РСУ создавал свои сети управления и свои рабочие станции, поскольку на момент их рождения и сеть Ethernet, и компьютеры (РС) были достаточно слабы. РСУ, как правило, применяются для управления непрерывными технологическими процессами. Под непрерывными процессами подразумеваются те, останов которых может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке технологического оборудования и даже несчастным случаям, а также те, возобновление которых после останова связано с большими издержками. Это сильно отличается от конвейера (применение систем PLC), который можно остановить и запустить заново достаточно быстро, при этом без каких-либо глобальных затрат. Сферы применения РСУ: химическая, нефтяная, газовая, пищевая промышленности, металлургия, энергоснабжение.
РСУ никогда не применялись для управления процессами упаковки, сварки автомобилей, разлива пива в бутылки и другими дискретными процессами.
Требования к РСУ
1) Отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно и останов технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость достигается путем резервирования (как правило, дублирования) аппаратных и программных компонентов системы, использования компонентов повышенной надежности, внедрения развитых средств диагностики, а также за счет технического обслуживания и непрерывного контроля со стороны человека.
2) Масштабируемость. РСУ должна одинаково хорошо подходить для автоматизации как одной установки, так и для всего завода. При этом система должна легко расширяться для того, чтобы охватить новые производственные участки (цеха). Расширение системы должно по возможности проходить без остановки уже внедренных участков системы.
3) Простота разработки и конфигурирования. Конфигурирование таких масштабных систем, как РСУ, – это тяжелый и долгий труд. Система должна предлагать инженерам целый набор предподготовленных программных компонентов и средств разработки. К ним относятся: пакеты визуального программирования, графические библиотеки, функциональные блоки, преднастроеные сетевые протоколы и интерфейсы. Вообще степень интеграция программных компонентов, входящих в состав РСУ, достаточно велика. Один из главных принципов построения РСУ – единая конфигурационная база системы. Изменения, выполненные в одном программной модуле системы, должны автоматически отражаться во всех зависимых модулях.
Функционально РСУ отличались (и до сих пор отличаются) от систем ПЛК+СКАДА (PLC + SCADA) следующими свойствами:
База данных распределена между контроллерами, но выглядит единой с точки зрения инженера. Именно это свойство и заложено в название "РСУ".
Операторский интерфейс тесно интегрирован в систему. Это не ПО SCADA, которое нужно "привязывать" к аппаратным средствам (железу). Здесь все работает сразу после включения питания и без какой-либо настройки.
Интенсивная и обширная обработка тревог (алармов) и событий реализуется также без каких-либо усилий со стороны разработчика.
Возможность вести разработку конфигурации и вносить изменения он-лайн, (то есть, не останавливая процесса управления).
Возможность менять отказавшее оборудование и расширять систему (добавлять новые узлы и платы) без отключения питания.
Глубокая диагностика от уровня операторского интерфейса до отдельного канала ввода/вывода без какой-либо настройки.
Возможность резервирования любого компонента системы (контроллер, модуль ввода/вывода, операторские станции) на аппаратном уровне и без какой-либо настройки программного обеспечения.
Все это, разумеется, делает начальную цену РСУ более высокой по сравнению с ПЛК+СКАДА, но на порядок снижает время разработки и внедрения.
Понятие "распределенная система" не относится к территориальным признакам. Территориально распределенные системы принято называть "системами телемеханики", "системами телеметрии" или просто "СКАДА-системами".
Компании - производители DCS Foxboro (I/A Series); Honeywell (PlantScape); Fisher-Rosemount (Delta-V); ABB (Symphony); Yokogawa (Centum XL); Valmet (Dimatic).
В станции управления могут быть зарезервированы платы CPU, внешние интерфейсы сети, интерфейсные платы шины RIO и внутренняя шина узла. Имеются модели с резервным источником питания.
На каждой процессорной плате находится два процессора (рис. 6). Каждый процессор выполняет одни и те же управляющие вычисления, а результаты вычислений сравниваются между собой. Если результаты согласуются, то они передаются в память и на интерфейсную плату шины.
Если результаты работы процессоров не совпадают, то сравнивающее устройство (компаратор) воспринимает это как нештатную ситуацию и переключается на резервную плату.
Резервная процессорная плата выполняет те же самые вычисления, что и основная плата. При переключении ее в активное состояние вычисленные на ней результаты передаются на интерфейсную шину без прерывания процесса управления.
При обнаружении ошибки состояния CPU производится самодиагностика платы, и если аппаратные средства в норме, плата возвращается из нештатного состояния в резервное.
Итак, комплексная автоматизация технологического процесса может быть решена двумя путями:
на базе распределенной системы управления (РСУ/DCS);
на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК/PLC) и человеко-машинного интерфейса (ЧМИ/SCADA).
Подход |
Характеристика |
+/- |
РСУ |
Очень высокая надежность и степень готовности |
+ |
Полностью интегрированные инструменты ЧМИ, базы данных и приложения |
+ |
|
Оптимальная для непрерывного управления |
+ |
|
Дорогая архитектура для многих приложений |
- |
|
Улучшение функциональности сильно усложняет структуру |
- |
|
ПЛК с ЧМИ |
Привлекательная цена, модульное аппаратное обеспечение |
+ |
Оптимальная для высокоскоростных логических приложений |
+ |
|
Контроллер, ЧМИ и приложение не интегрированы |
- |
|
Не детерминистская, менее современная концепция управления |
- |
|
Нет композитных точек, для каждого параметра используется имя |
- |
9.2. РСУ Simatic PCS 7
Simatic Process Control System 7 –впервые была представлена в 1996 году. Система стала продолжением общей фирменной концепции TIA (totally integrated automation), предполагающей интеграцию электротехнических продуктов Siemens в рамках единой системы управления. На данный момент система Simatic PCS 7, имеет более 1500 инсталляций в мире. Наибольшее распространение и успех система имеет в пищевом, химическом, стекольном, цементном и металлургическом секторах промышленности.
Верхний уровень
Что же такое Simatic PCS 7? Если взглянуть в брошюру, можно увидеть следующую страшную картинку (рис. 1), иллюстрирующую потенциальный размах и возможности системы (понятно, что в реальных системах избегают такого). В принципе то, что показано ниже, и является показательной интерпретацией упомянутой выше концепции TIA.
Рис.1. Общая архитектура системы Simatic PCS 7.
Для более подробного обсуждения системы взглянем на рисунок 2. На нем представлена более правдоподобная конфигурация системы.
Рис. 2. Более правдоподобная архитектура системы Simatic PCS 7.
Как видно, система имеет классическую трехуровневую архитектуру, характерную для класса DCS. На верхнем уровне располагаются операторские станции, серверы, инженерные станции и много чего другого. В общем случае в состав верхнего уровня могут входить:
- Операторские станции (ОС-клиенты) реализуют человеко-машинный интерфейс.
- Серверы (ОС-серверы) реализуют связь между операторскими станциями и контроллерами. Также занимаются архивированием. Опционально резервируются.
- Инженерные станции необходимы для технического обслуживания, реконфигурирования и диагностики системы.
- Серверы CAS (central archive servers) могут включаться в состав системы для долговременного хранения истории в виде базы данных SQL. Опционально резервируются.
- Серверы Web Navigator используются для предоставления доступа к технологическим данным и архиву через Web-интерфейс. Поддержка до 50 удаленных клиентов.
- Серверы Batch используются для рецептурного управления процессом. Опционально резервируются.
- Серверы Route Control используются для управления транспортировкой продукта по разветвленной системе технологических маршрутов. Опционально резервируются.
- Серверы OPC нужны для доступа к реальным технологическим данным и архивам по одноименному протоколу.
Сети верхнего уровня, как правило, строятся на базе промышленных коммутаторов Siemens серии Scalance. На самом деле можно использовать Ethernet-совместимые сетевые компоненты и других производителей, но, естественно, производитель не рекомендует этого делать.
В общем, в рамках PCS 7 существуют две возможные схемы построения верхнего уровня:
• Классическая схема “клиент-сервер”;
• Одиночные станции
Первый вариант заключается в том, что в системе выделяют общий сервер (или резервированную пару серверов), который с одной стороны общается с подключенными к нему контроллерами, а с другой – поставляет технологические данные операторским станциям и другим клиентам. Этот вариант хорош, если клиентов множество, а коммуникационная нагрузка на контроллеры со стороны верхнего уровня должна быть умеренной. Второй вариант предполагает прямое подключение станций к контроллерам и хорошо подходит для небольших систем, для которых наличие сервера - слишком дорогое удовольствие. Приятно, что проектировщик системы не ограничен фиксированной структурой верхнего уровня и имеет свободу выбора оптимального решения.
Разберемся с программным обеспечением.
В состав PCS 7 входит развитая среда разработки Simatic Manager, позволяющая централизовано создавать как аппаратную конфигурацию системы, так и прикладное программное обеспечение
. Среда разработки, как правило, устанавливается на отдельную инженерную станцию, с которой после создания и компиляции проекта проводят его загрузку в другие станции. Среда позволяет программировать контроллеры с использованием всех стандартных языков.
Человеко-машинный интерфейс базируется на несколько модифицированном пакете Simatic WinCC, который тесно связан с проектом нижнего уровня. Так система Simatic PCS 7 автоматически выполняет такие рутинные операции как: генерация тегов WinCC; создание системы навигации по мнемосхемам и другое.
Самым большим недостатком PCS 7 является политика лицензирования программного обеспечения, понять которую рядовому инженеру, сложно. Система лицензируется не по количеству точек ввода/вывода, что было бы вполне логично, а по количеству абстрактных процессных объектов. О том, что же такое процессный объект, расходятся мнения даже у специалистов Siemens. Прибавьте то, что лицензии делятся на Runtime и Development, различны для контроллеров, инженерных и операторских станций.
Уровень ПЛК
Идеология PCS7 предполагает использование контроллеров серии Simatic S7-400 без организации на их базе локального ввода/вывода. Это вовсе не означает, что в систему нельзя интегрировать младшие серии ПЛК типа S7-300, но в этом случае придется поднапрячься с инжинирингом. Стоит отметить, что концепция построения Simatic PCS 7 не делает ставку на использование модулей локального ввода/вывода, хотя в принципе такая возможность есть.
Бросаются в глаза довольно скромные возможности контроллеров младших серий – например, рекомендуемое количество аналоговых сигналов для CPU 414-3 около 50 с циклом 100 мс. Это как-то плохо согласуется с ценой в районе 4700 евро. Прибавьте источник питания, стойку, интерфейсный модуль и получите в сумме стоимость более 9.2 тыс. евро.
Де-факто энергонезависимого хранения загруженной программы в контроллерах S7-400 попросту нет. Справедливости ради отмечу, что на блоках питания S7-400 предусмотрено место для установки двух пальчиковых батареек (даже не аккумуляторов!!!) номиналом 3.6 В. За состоянием батарей надо постоянно следить.
А да, забыл про Profinet, который, по замыслу Сименса, должен заменить и полевые шины Profibus, и сети верхнего уровня Industrial Ethernet – т.е. привести все под один стандарт. Что ж, такие коммуникационные модули тоже появились и используются все чаще и чаще, хотя, отмечу, что стандарт Profinet (фактически некая надстройка над обычным Ethernet) у нас еще не очень прижился.
Самое большое разочарование – это громоздкость и внешний вид контроллеров S7-400. Про громоздкость скажу лишь, что в простейшей имеет размеры 485x290x220 и весит не меньше 5 килограммов.
Контроллеры серии S7-400 могут полностью резервироваться и естественно поддерживают резервированное подключение как к сети верхнего уровня, так и к шине ввода/вывода. Однако и тут есть один нюанс: отнюдь не все модификации контроллеров 400-й серии могут резервироваться, а только модели, которые имеют в своем обозначении букву “H” (high reliable). Поэтому проектируя систему, инженер сразу должен спрогнозировать то, какие контроллеры будут резервироваться, предусмотрев для них именно серию H, так как переход на резервированную конфигурацию путем простого добавления симплексных модулей невозможен. Прибавьте к этому существенную разницу в цене между обычным процессорным модулем и тем, что может работать в резервированном режиме.
На нижнем уровне разнообразие узлов удаленного ввода/вывода ET200.
Теперь самое интересное. PCS 7 – это не только распределенная система управления, но и полноценная система противоаварийной защиты (ESD – emergency shutdown system), имеющая целую кипу крутых сертификатов и разрешений на промышленное использование в России.
Решение ESD базируется на использовании:
1. Резервированных контроллеров серий 414FH/417FH, характеризующихся повышенной надежностью, отказоустойчивостью и высокой степенью безопасности.
2. Специальными модулями ввода/вывода (F-модулями) системы ET200M. F-модули характеризуются резервированной внутренней архитектурой, мощными возможностями по самодиагностики и проверки подключенных сигнальных цепей + перевод выходов в безопасное состояние.
3. Специального сетевого профиля ProfiSafe, являющегося, по сути, небольшой надстройкой над обычным Profibus и полностью с ним совместимым. С помощью профиля Profisafe система может оперативно диагностировать (и в некоторых случаях исправлять) искажение/потерю данных при их передачи по шине, неверную адресацию, а также нарушение последовательности сообщений.
Есть и несколько нюансов. В каталоге PCS7 широко рекламируется возможность разбиения пользовательской программы управления на две части, одна из которых относится к РСУ, другая – к функциям ПАЗ. При этом говорится о возможности выполнения двух этих частей в рамках одного контроллера. Может, в Европе это является хорошим решением, но в России в соответствие с нашими правилами безопасности такой подход недопустим. Да и принцип разделения ПАЗ и РСУ никто не отменял.
В целом система Simatic PCS 7 является добротным продуктом. В ее основу легли проверенные решения, используемые Siemens на протяжении многих десятилетий. Система предлагает полновесный функционал, полностью отвечающий современным трендам и веяниям времени. Нельзя сказать, что по диапазону выполняемых задач Simatic PCS 7 впереди планеты всей, но и не в числе отстающих – это точно. Еще одним важным качеством системы является довольно дружелюбный интерфейс разработки. Архитектура системы прозрачна и универсальна, аппаратное и программное обеспечение хорошо документировано, а огромная линейка оборудования позволяет при построении системы выбирать из множества вариантов решений. Как уже было упомянуто, картину омрачает довольно ощутимая цена на компоненты системы. Однако брэнд-нейм Siemens делает свое благое дело, и система довольно востребована.