Проектирование систем автоматизации. Курс лекций

4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

4.1. Технологический объект управления

Под технологическим объектом управления (ТОУ) согласно ГОСТ 34.003–90 [4.1] понимается объект управления, включающий технологическое оборудование и реализуемый в нем технологиче- ский процесс. Технологическим процессом (ТП) называется процесс переработки на оборудовании исходного сырья и материалов с целью получения требуемого конечного продукта. Описание ТП докумен- тируется технологическим регламентом. В состав технологического регламента входят:

•состав исходного сырья, материалов и потребляемой энергии;

•перечень используемого (технологического) оборудования;

•описание и схемы последовательности переработки сырья и материалов на технологическом оборудовании;

•режимы работы оборудования;

•характеристики исходного сырья, материалов, промежуточных полуфабрикатов и готового изделия;

•допустимые и предельные отклонения для режимов работы оборудования и характеристик перерабатываемых материалов.

В ходе выполнения технологического процесса можно выделить следующие фазы:

•пуск – вывод оборудования на проектный режим работы;

•работа оборудования в проектном режиме;

•переход к полному останову оборудования (останов);

•временный останов части оборудования;

•аварийные ситуации в работе оборудования.

ТОУ обладает рядом характеристик, которые необходимо учиты- вать при разработке для него системы управления. Требования техно- логического регламента по точности измерения и поддержания пара- метров ТП определяют выбор датчиков и исполнительных элементов, построение каналов измерения. Динамика переходных процессов при пуске, останове, смене режима диктует требования к быстродействию системы управления. Вопросы быстродействия также связаны с ус- тойчивостью протекания ТП и с требованиями к точности.

Количество измеряемых параметров и управляющих воздействий определяет размерность задачи, количество используемых каналов ввода/вывода, требования к центральному процессору контроллера и

61

к лицензии на ПО SCADA. На выбор адекватных для каждого кон- кретного ТОУ средств вычислительной техники (контроллер, сервер, АРМ) также влияют объем и сложность необходимых вычислений и требования к разрешающей способности и глубине архива.

Расположение узлов, агрегатов, отдельных технологических уста- новок в пространстве, их размеры определяют количество контрол- леров, место их установки, применение удаленных модулей вво- да/вывода, подключаемых к контроллеру по полевой шине. От рас- положения и протяженности в пространстве ТОУ также зависит вы- бор физических линий связи (витая пара, оптоволокно, беспроводная связь) как между отдельными контроллерами, так и между контрол- лерами и сервером и АРМ оператора.

Условия внешней среды определяют требования к разрешенным условиям эксплуатации для датчиков, исполнительных элементов, кабелей подключения. Приемлемый температурный режим для кон- троллеров достигается размещением шкафов с ними в помещениях или блок-боксах с отоплением и кондиционированием воздуха. Воз- можно применение шкафов с устройствами обогрева и охлаждения. Наличие или возможность наличия взрывоопасной среды (газ, пары нефти и бензина, угольная пыль и т.п.) требует применения взрыво- защиты (подробнее см. п. 4.5).

Потенциальная опасность ТП для людей и окружающей среды в случае аварии диктует требования по надежности применяемой сис- темы управления, применению резервированных архитектур, нали- чию соответствующих сертификатов.

4.2. Каналы ввода/вывода

По каналам ввода/вывода контроллер получает информацию от датчиков и передает ее на исполнительные элементы. Для их реали- зации в состав контроллера включают модули ввода/вывода. Модули ввода реализуют преобразование аналогового или дискретного сиг- нала в цифровой сигнал, поступающий по внутренней шине кон- троллера в центральный процессор. Модули вывода обеспечивают обратное преобразование – цифровой сигнал от центрального про- цессора переводят в аналоговую или дискретную форму, восприни- маемую исполнительным элементом. Комбинированные модули со- держат в своем составе как модули ввода, так и модули вывода.

Один канал ввода/вывода соответствует одному параметру или управляющему воздействию в технологическом процессе и соответ-

62

ственно одному датчику или исполнительному элементу в системе управления. В составе модуля ввода/вывода имеется, как правило, несколько одинаковых каналов, обычно их количество кратно 8.

Аналоговый канал ввода реализуется на основе аналогово- цифрового преобразователя (АЦП). Для нескольких аналоговых ка- налов в составе одного модуля могут быть применены как индивиду- альные АЦП для каждого канала, что повышает быстродействие сис- темы, но увеличивает ее стоимость, так и один АЦП и аналоговый мультиплексор, что позволяет получить более дешевый и более мед- ленный вариант. Аналоговый канал вывода строится на основе циф- ро-аналогового преобразователя (ЦАП). Схемотехника АЦП и ЦАП рассмотрена в курсе «Электронные устройства автоматики».

Дискретные каналы ввода реализуются на оптронах и транзисто- рах, дискретные каналы вывода – на транзисторах и электромагнит- ных реле.

Количество каналов ввода/вывода является одной из характери- стик системы управления, оно отражает масштаб задачи и в некото- рой мере ее сложность. Средняя стоимость канала, определяемая с учетом затрат на приобретение контроллера в полном комплекте, включая центральный процессор, шасси, блоки питания и т.д., явля- ется экономической характеристикой, позволяющей оперативно сравнивать продукцию разных производителей по цене. Понятие ка- нала ввода/вывода тесно связано с рассмотренным выше понятием тэга в ПО SCADA.

4.3. Подбор управляющего контроллера

При выборе управляющего контроллера следует учитывать мно- жество факторов как организационного порядка, так и технических. На выбор изготовителя и поставщика влияют репутация изготовите- ля и опыт эксплуатации его продукции, наличие на предприятии его продукции и подготовленного персонала, установившиеся партнер- ские отношения между предприятием – пользователем системы и поставщиком. Учитываются ценовые параметры, в том числе рас- смотренная выше стоимость канала, наличие необходимых сертифи- катов, качество сервиса и технической поддержки.

Подбор контроллера по техническим характеристикам осуществ- ляется на основе информации о технологическом объекте управле- ния. Возможность выделить в составе ТОУ несколько технологиче- ских установок определяет количество контроллеров. От размеров

63

ТОУ, расстояний между установками зависит будут ли все контрол- леры компактно сосредоточены в одном помещении или они будут распределены по объекту.

От количества измеряемых параметров и управляющих воздейст- вий и соответственно количества каналов ввода/вывода зависит вы- бор семейства контроллеров и модели центрального процессора. На выбор центрального процессора также влияют требования по быст- родействию, диктуемые динамикой ТОУ.

Типы и количество модулей ввода/вывода определяются исполь- зуемыми датчиками и исполнительными элементами. При выборе аналоговых модулей учитываются требования по быстродействию и точности измерений. При выборе дискретных модулей вывода учи- тываются требования к их нагрузочной способности. Возможно при- менение относительно недорогих модулей с низкой нагрузочной способностью и подключаемых к ним электромеханических или по- лупроводниковых реле. При этом реле играет роль промежуточного клеммника, а его замена в случае выхода из строя обходится дешев- ле, чем замена модуля в контроллере. При наличии требований к ис- пользованию взрывозащиты типа «искробезопасная электрическая цепь i» (см. п. 4.5) возможно применение модулей со встроенными цепями искрозащиты. В настоящее время чаще применяются отдель- ные барьеры искрозащиты, а не встроенные в модули ввода/вывода.

Модули ввода/вывода могут быть как устанавливаемые на шасси контроллера, так и подключаемые по полевой шине. Если одного шасси недостаточно для объединения в систему всех требуемых мо- дулей, возможно применение одного или нескольких шасси расши- рения. Применение модулей, подключаемых по полевой шине, по- зволяет разместить их в шкафах, удаленных на некоторое расстояние от шкафа с основным шасси, что бывает выгодно на объектах боль- шой протяженности. Можно использовать подключение по полевой шине и модулей, находящихся в том же шкафу, что и основное шас- си, или соседнем с ним. Это делается с целью получения более эф- фективного конструкторского решения или с целью снижения стои- мости системы в целом. Возможна ситуация, когда требуется реали- зация нескольких быстродействующих каналов регулирования с ис- пользованием дорогостоящего комплекта из центрального процессо- ра, корзины с блоком питания и нескольких модулей ввода/вывода, а большинство каналов измерения и управления в системе может быть опрошено и обработано относительно медленно. Тогда для реализа- ции оставшихся каналов в системе используют модули, подключае-

64

мые к центральному процессору по полевой шине через соответст- вующий коммуникационный модуль (контроллер шины), чем дости- гается существенная экономия.

При проектировании системы управления следует предусмотреть резерв каналов ввода/вывода. Как правило, в начале проектирования системы закладывается резерв 10 % по каждому типу каналов, в про- цессе работы над проектом из соображений экономии этот резерв уменьшается. С целью повышения унификации применяемого обо- рудования следует в рамках одного предприятия использовать ми- нимальный ассортимент модулей, это облегчает обслуживание и ре- монт системы при необходимости, сокращает объем хранящихся на складе запасных модулей.

4.4. Построение резервированных систем. Особенности систем ПАЗ

Многие объекты в промышленности представляют повышенную опасность при их эксплуатации. В первую очередь это касается предприятий химии и нефтехимии. Производства классифицируют в соответствии со стандартом DIN V 19250 «Фундаментальные аспек- ты безопасности, рассматриваемые для связанного с безопасностью оборудования измерения и управления». В соответствии с указанным стандартом класс от 1 до 8 присваивается в зависимости от уровня риска. Граф рисков приведен на рис. 4.1, показанные на нем пара- метры риска расшифрованы в табл. 4.1.

Рис. 4.1. Граф рисков согласно DIN V 19250

65

Возможность применения программируемых электронных средств на объектах приведенных выше классов регламентируется стандартом DIN V VDE 0801. Одной из наиболее известных органи- заций в области сертификации систем безопасности является Обще- ство (в других вариантах перевода – Ассоциация) технического над-

зора TÜV (Technisher Überwashungsvereign). TÜV осуществляет сер-

тификацию функциональной безопасности оборудования систем управления и защиты с присвоением соответствующей категории. TÜV присваивает уровень интегральной безопасности SIL (Safety Integrity Level) по стандартам ANSI/ISA 84.01–96, МЭК 61508,

МЭК 61511. Сертификат TÜV признается в десятках стран мира. Для отраслей промышленности, требующих применения про-

граммируемых систем безопасности, применяется стандарт МЭК 61508 «Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопас- ностью». Указанный стандарт широко использует аббревиатуру «Е/Е/РЕ система» – Электрическая/Электронная/Электронная прог- раммируемая система. Ему полностью соответствует стандарт ГОСТ Р МЭК 61508 [4.2–4.8]. Данный стандарт определяет 4 уровня интегральной безопасности SIL. Уровни безопасного допуска обору- дования SIL следующие:

1 – защита оборудования и продукции; 2 – защита оборудования и продукции, защита от травматизма;

66

3 – защита обслуживающего персонала и населения;

4 – защита от общей катастрофы.

Пример построения графа рисков согласно МЭК 61508 [4.6] при- веден на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Граф рисков по МЭК 61508.

Общие принципы построения. A, b, c, d, e, f, g, h – требуемое минимальное снижение риска (табл. 4.2), С – параметр последствий риска, F – параметр частоты и времени действия риска, P – параметр риска, связанный с возможностью избежать опасности,

W – вероятность нежелательного события (табл. 4.3)

Стандартом МЭК 61508 предписывается, что «функции, связан- ные с безопасностью, везде, где практически возможно, должны быть отделены от функций, не относящихся к безопасности» [4.3]. Там же говорится, что «следует предостеречь от совмещения функ- ций безопасности и функций, не относящихся к безопасности, в од- ной и той же Е/Е/РЕ системе, связанной с безопасностью».

Приведенному выше требованию стандарта МЭК 61508, а также требованиям ряда других нормативных документов, соответствует практика реализации системы управления на технологических объ- ектах, эксплуатация которых представляет значительную опасность для людей и окружающей среды, в виде двух раздельных подсис- тем – АСУ и противоаварийной защиты (ПАЗ).

67

Таблица 4.2

Требования по снижению риска и соответствующие уровни безопасности по МЭК 61508 рис. 4.2

Система ПАЗ характеризуется относительно небольшим количе- ством датчиков и исполнительных элементов, простыми алгоритма- ми работы, жесткими требованиями к обеспечению срабатывания в случае необходимости. Для обеспечения гарантированного срабаты- вания применяется двойное и тройное резервирование датчиков, управляющих устройств, исполнительных устройств. АСУ не имеет возможности управлять исполнительными элементами ПАЗ, а также непосредственно опрашивать датчики ПАЗ. Если это требуется, ин- формация от датчиков ПАЗ поступает в АСУ от контроллера ПАЗ по локальной сети.

Для резервированных систем ключевой характеристикой является параметр MooN, где M – количество каналов, срабатывание которых

68

приводит к срабатыванию соответствующего исполнительного эле- мента (выполнению соответствующей функции), N – общее количе- ство каналов. Например, 1oo2 – дублированная система, срабатыва- ние в которой одного из двух каналов приводит к выполнению за- данной функции. Добавление к рассматриваемому параметру в конце буквы «D» означает, что в систему встроена диагностика. Простая недублированная система обозначается 1oo1, недублированная сис- тема с диагностикой – 1oo1D.

В качестве примера построения резервированных систем ПАЗ рассмотрим решение GMR (Genius Modular Redundancy) фирмы GE Intelligent Platforms (до 2010 г. GE Fanuc). Пример построения систе-

мы с тройным резервированием приведен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. GMR система с тройным резервированием

На рисунке показан трехкратно резервированный датчик, три кон- троллера, 4 дискретных модуля вывода, управляющих одним испол- нительным элементом. Показанная система реализует резервирова- ние 2oo3. Каждый модуль ввода/вывода соединен со всеми тремя контроллерами. Каждый контроллер обрабатывает сигналы от всех трех модулей и реализует голосование по логике 2oo3, т.е. контроли- руемое резервированным датчиком событие считается наступившим, если сработали хотя бы два датчика из трех. Каждый модуль вывода получает управляющие команды от всех трех контроллеров и осуще- ствляет голосование по логике 2oo3. Отказ любого из модулей выво- да (короткое замыкание, обрыв цепи, необработанная управляющая

69

команда) не приведет к потере управления нагрузкой – ее можно бу- дет как включить, так и выключить.

Варианты подключения исполнительных элементов к модулям вывода в резервированной архитектуре показаны на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Подключение исполнительного элемента к резервированным каналам вывода

На рис. 4.4, а показана H-схема подключения нагрузки, использу- ются 3 полевые шины и 4 модуля вывода. Любой одиночный отказ в этой схеме не приводит к потере управления исполнительным элемен- том, обеспечивается его гарантированное включение и отключение.

На рис. 4.4, б показана T-схема, в которой два выхода соединены параллельно и работают на общую нагрузку. Такой вариант обеспе- чивает гарантированное включение исполнительного элемента.

На рис. 4.4, в показана I-схема, применяемая обычно в системах ПАЗ. Два модуля вывода включены последовательно с нагрузкой, что обеспечивает гарантированное отключение исполнительного элемента с резервированием 1oo2.

Дублированные системы сохраняют свою работоспособность при отказе одного из элементов. Их можно эксплуатировать в таком со- стоянии строго ограниченное время, указанное нормативными доку- ментами. Если в течение этого времени вышедшие из строя элементы не будут заменены на исправные, технологический процесс следует остановить.

Подробно применение резервированных систем на особо опасных промышленных объектах, корректность применяемых решений, во- просы надежности и соответствующие нормативные документы рас- смотрены в [4.9].

70