Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
Управление системой и администрирование сети
Стандарт FOUNDATION fieldbus предусматривает ряд средств управления системой и администрирования сети, гарантирующих ис­полнение функциональных блоков в строго определенные временные интервалы и упрощающих конфигурирование устройств. Другие поле­вые шины не предоставляют подобных возможностей; таким образом, их функциональность и возможность передачи и распределения функ­ций управления на уровне полевых устройств сильно ограничивается.
Функции управления системой в стандарте FOUNDATION fieldbus гарантируют исполнение функциональных блоков в строго определенные временные интервалы в строго заданной последователь­ности – данное требование необходимо для возможности управления замкнутым контуром на уровне полевых устройств. Уровень управле­ния системой и уровень канала связи FOUNDATION fieldbus также включают автоматическое назначение сетевых адресов при установке нового устройства в систему, что обеспечивает автоконфигурирование системы, известное как технология «plug-and-play». Недопустимость возникновения повторяющихся адресов в системе и назначение един­ственного адреса каждому устройству. Временная синхронизация, ко­гда текущее значение времени суток передается по сети всем устрой­ствам. Благодаря этой возможности обеспечивается синхронизация всех устройств в сети и работа таких функций, как сигналы оповеще­ния. Поиск тэгов, т.е. поиск имени тэга в сети, независимо от места расположения тэга в сети. Благодаря этой возможности отпадает необ­ходимость репликации системной базы данных, где содержится ин­формация об устройстве. Другие технологии полевых шин не поддер­живают функции управления системой и, следовательно, не реализуют перечисленные ниже функции.
Функциональные блоки
В то время как семиуровневая модель обмена данными исполь­зующая стандарт OSI, является общепринятой в области сетевого об­мена данными, FOUNDATION fieldbus вводит еще один, восьмой уро­вень – пользовательский уровень. В этом, в частности, состоит отличие системы FOUNDATION fieldbus от остальных протоколов элементами пользовательского уровня в архитектуре, используемой FOUNDATION fieldbus, являются функциональные блоки, которые представляют собой пакетную реализацию функций управления, таких как, например, аналоговый ввод, аналоговый вывод и ПИД-
- 71 -
регулирование. Существуют также дополнительные стандартные функциональные блоки, предназначенные для управления процессом: блоки дискретного входа, блоки дискретного выхода, ПИД­контроллер, селектор сигналов, операторский ввод, блок Отношение­Смещение и блок Отношение. Функциональные блоки встроены в по­левые устройства, за счет чего обеспечивается необходимый уровень функциональных возможностей устройства. Другие протоколы не пре­дусматривают существование полностью определенных стандартных функциональных блоков. Некоторые протоколы используют «профи­ли», для определения функциональных блоков, главным образом вы­полняющих функции ввода и вывода. Управление осуществляется че­рез специально сконфигурированные хосты. Протокол FOUNDATION fieldbus, напротив, создавался с целью не только реализовать цифровой обмен данными между хост-системой и полевым оборудованием, но и обеспечить поддержку распределенного управления, а также возмож­ность автоматического конфигурирования оборудования, известного как технология plug-and-play, что существенно расширяет границы со­вместимости оборудования. Исполнение блока управляется посредст­вом передачи данных, поскольку каждое устройство поддерживает синхронизируемый таймер. Таким образом, управляющий контур, рас­пределенный между несколькими устройствами, может завершить операцию в наикратчайшее время. Это, в свою очередь, приводит к увеличению быстродействия и повышению стабильности контура. Кроме того, для каждого типа устройства определены блоки датчиков, учитывающие функциональные особенности аппаратуры этих уст­ройств. В результате для каждого устройства имеется единый блок ре­сурсов для управления данными и функциями устройства как единого целого.
Стандартные параметры
Функциональные блоки, блоки датчиков и блоки ресурсов со­держат несколько стандартных параметров и дополнительный расши­ренный набор параметров, определяемых Описанием устройства (Device Description, DD). Благодаря широкому набору явно заданных параметров, в число которых входит несколько видов данных диагно­стики и калибровки, реализуется возможность передачи данных само­диагностики аппаратуры в стандартном формате на рабочие станции операторов, благодаря чему операторы получают оперативную инфор­мацию о состоянии прибора и уведомление о его неисправности. Без
- 72 -
явно задаваемых параметров, а также без возможности описания уст­ройств, возможности оперативного отображения информации о со­стоянии системы на хосте были бы весьма ограничены. Технология FOUNDATION предусматривает информацию о статусе, связанную с измерениями, и управляемые переменные, значения которых основы­ваются на самодиагностике. Информация о статусе включает в себя сведения о качестве измерения, а также о возможных ограничениях качества. Кроме того, информация о статусе содержит подробные све­дения, необходимые для обработки аварийных ситуаций и оповещения оператора о работе автоматики. Статус устройств не только сообщает­ся оператору, но также используется функциональными блоками приема для автоматического корректного отключения управляющего контура в случае ошибки или отказа.
Описание устройства (Device Description, DD)
Функциональная совместимость устройств - это возможность замены устройства полевой шины, изготовленного одним поставщи­ком оборудования, другим устройством другого изготовителя без по­тери функциональности или степени интеграции с системой управле­ния хоста. Функциональная совместимость устройств позволяет поль­зователю выбрать аппаратуру, наиболее соответствующую типу ис­пользуемого приложения, независимо от поставщика хост-системы или поставщиков других устройств в сети. Это дает пользователям возможность использовать запасные детали и оборудование от различ­ных поставщиков.
Пользовательский уровень FOUNDATION fieldbus также включает в себя описания устройств (Device Descriptions, DD), реали­зуемые на языке описания устройств DDL (Device Description Language, DDL). Описания устройств можно рассматривать как свое­образные «драйверы» устройств. Поставщики оборудования предос­тавляют описания устройств для пользователей. После загрузки описа­ния устройства в хост-систему система, а также все устройства в сети, способны поддерживать весь спектр функциональных возможностей устройства. Благодаря этому появляется возможность постоянного по­полнения поддерживаемых функций; производители оборудования могут продолжать изобретать новые и расширять уже существующие возможности системы, применяемые независимо от хост-системы.
Другие протоколы не предусматривает наличие компонентов, аналогичных описаниям устройств. Некоторые протоколы поддержи-
- 73 -
вают «профили» устройств, которые содержат основной набор пара­метров. Однако, данные профили имеют жесткую структуру и не рас­ширяются. Из этого следует, что подобные протоколы только основ­ной набор общих параметров на уровне устройств. Чтобы получить возможность доступа к дополнительным, или расширенным парамет­рам или возможностям конкретного устройства, необходимо написать прикладную пользовательскую программу. Комплексируемость в рам­ках систем, использующих профили, на самом деле означает лишь со­вместимость на сетевом уровне, и не предоставляет реальной возмож­ности автоматического конфигурирования оборудования, известного как технология plug-and-play. Возможности пользователя ограничива­ются набором основных функций: например, задание параметров, представление пользователю измеренных значений температур и т.д. Однако для выполнения специальных операций с устройством (напри­мер, для его калибровки) потребуется написать специальную приклад­ную программу. В то же время пользователь, работающий с FOUNDATION fieldbus, может просто подключить устройство к сис­теме, загрузить Описание данного устройства, и работать с данным устройством безо всяких ограничений. Технология FOUNDATION fieldbus обеспечивает полный доступ ко всем данным, в том числе к параметрам, специфичным для данного устройства, для любого из со­вместимых с FOUNDATION fieldbus устройств.
Без стандартных блоков, параметров и описаний устройств, свобода выбора поставщика аппаратного обеспечения весьма ограни­чивается, поскольку для замены устройства или аппаратуры одного изготовителя устройством или аппаратуры другого изготовителя тре­буется дополнительное программирование для поддержки полного спектра возможностей.
Полевая шина с высокой скоростью передачи данных
В настоящее время заканчивается разработка и тестирование высокоскоростной шины, в основу которой положена промышленная технология Fast Ethernet (100 Мбит/с) и стандарты полевой шины IEC/ISA. Эта новая разработка позволит удовлетворить высокие требо­вания к скорости передачи данных для приложений автоматизации технологических процессов, используемых в промышленности.
Высокоскоростная полевая шина также позволит существенно сократить объем прокладываемых соединительных кабелей между различными устройствами для больших систем, что достигается за
- 74 -
счет мультиплексирования нескольких сетей полевых шин H1 на од­ной резервируемой высокоскоростной полевой шине. Современные системы, использующие технологию полевых шин, пользуются сетями на основе шин H1, прокладываемых в помещение оператора, что из­бавляет от необходимости использовать H2, но, тем не менее, не огра­ничивает возможностей и достоинств технологии полевых шин.
Средства оповещения (алармы), события, окна просмотра и тренды
Полевые устройства передают сведения об их статусе и общем состоянии, что позволяет операторам и обслуживающему персоналу своевременно получать информацию о наличии ошибок в системе и об общем состоянии процесса. Полевые устройства также получают алармы, генерируемые переменными процесса, и отправляют соответ­ствующие сообщения операторам. Данные события автоматически об­рабатываются механизмом регистрации и подтверждения предупреж­дающего сигнала, встроенным в полевую шину FOUNDATION fieldbus. Устройства FOUNDATION fieldbus реализуют также возмож­ность отбора трендов. Несомненное преимущество распределенной системы регистрации алармов и трендов заключается в существенном снижении объема обмена данными, что повышает эффективность сис­темы коммуникаций. Это, в свою очередь, повышает эффективность системы управления (сокращается время цикла) и позволяет повысить частоту обновления экрана. Также полевая шина содержит объекты окон просмотра, которые представляют собой логически сгруппиро­ванные параметры, как правило, отображаемые совместно. Эта воз­можность позволяет получить доступ к группе параметров при одно­кратном обращении; таким образом, устраняется необходимость не­скольких обращений к каждому из параметров для получения их зна­чений.
Синхронизация базы данных
Возможность синхронизации базы данных, встроенная в архи­тектуру FOUNDATION fieldbus, гарантирует постоянную синхрониза­цию базы данных рабочей станции оператора с конфигурацией полево­го устройства. При изменении диапазона датчика параметры рабочей станции оператора обновляются соответствующим образом. Этот уни­кальный механизм также гарантирует согласованность данных на всех операторских и инженерных рабочих станциях и на полевых устройст­вах.
- 75 -
Техническое заключение
Для большинства пользователей, технические ограничения, свойственные большинству технологий полевых шин, сводят на нет практически все преимущества данной технологии. Применение поле­вых шин сводится, по существу, к замене внутреннего блока, исполь­зующего аналоговые сигналы 4-20 мА, а не использованию совершен­ной сетевой архитектуры, позволяющей планировать развитие системы в будущем. Протоколы, использующие устаревшие технологии, на­пример, модель передачи данных с использованием конфигурации «ведущий-подчиненный», в которых отсутствует протокол управления системой, не удовлетворяют требованиям распределенного управления процессом. Только стандарт FOUNDATION fieldbus обладает возмож­ностями, необходимыми для полной комплексируемости системы; к числу этих возможностей относятся язык описания устройств, стан­дартный пользовательский уровень, функциональные блоки и прото­кол управления работой системы/сети. Управление процессом можно осуществлять из любого места - с хоста, с узла, расположенного в по­левых условиях, либо с хоста и с полевого узла одновременно. Пользо­ватели имеют возможность применять на практике все преимущества современного оборудования.
Экономические вопросы
При разработке нового оборудования важную роль играют
экономические вопросы.
Окупаемость капиталовложений
В отличие от многих организаций, являющихся разработчи­ками стандартов в области полевых шин, контроль над деятельностью организации Fieldbus Foundation осуществляет не одна компания. По­добный подход, реализованный Fieldbus Foundation, гарантирует ста­бильность и устойчивость технологии, отсутствие резких и внезапных перемен, вынуждающих пользователей проводить дорогостоящую за­мену оборудования и переход на новую технологию. Кроме того, ни одна из компаний, участвующих в разработке данной технологии, не может навязывать потребителю свои цены. Организация FOUNDATION fieldbus поддерживается поставщиками систем автома­тического управления и измерительной аппаратуры, на долю которых приходится 90% всех мировых поставок подобного оборудования.
Внимательное изучение вклада организации Fieldbus Foundation в сравнении с другими поставщиками контрольно-
- 76 -
измерительной аппаратуры для промышленных автоматизированных систем показывает, что на Fieldbus Foundation приходится основная доля капиталовложений, направленных на дальнейшую разработку и совершенствование выпускаемой ею аппаратуры.
В основу стандарта FOUNDATION fieldbus положены специ­фикации Международной ассоциации стандартизации в области кон­трольно-измерительной аппаратуры (ISA) и Международной электро­технической комиссии (International Electrotechnical Commission, IEC) – двух ведущих мировых организаций по стандартизации в области про­мышленной автоматики.
Процессы Fieldbus Foundation разрабатываются таким обра­зом, чтобы обеспечить возможность использования в системе разнооб­разных компонентов, например, стеков, реализованных в виде отдель­ных микросхем и стеков передачи данных. Все компоненты техноло­гии Fieldbus Foundation реализуются только в том случае, когда обес­печивается поддержка разнообразных компонентов системы.
FOUNDATION fieldbus используется и поддерживается во многих странах мира. Она разработана как международная промыш­ленная технология, в то время как остальные технологии полевых шин по своей сути являются разработками, ограниченными региональными рамками, и не удовлетворяют в полной мере потребности конечного пользователя и тех экспортеров промышленного оборудования.
Снижение общей стоимости системы
Все технологии полевых шин позволяют существенно сни­зить общую стоимость всей установки за счет существенного умень­шения количества коммуникационных и других кабелей, необходимых для поддержки работы системы, уменьшения объема подсистемы вво­да-вывода, а вспомогательных установок, поддерживающих работу системы. Однако, экономический эффект архитектуры FOUNDATION Fieldbus не ограничивается этим стандартным набором преимуществ. Только в этой архитектуре реализуется возможность распределенного управления на уровне полевых устройств, позволяющая максимально эффективно использовать вычислительные мощности микропроцес­сорных устройств – параллельную обработку, например, реализацию функций управления, вычислений и выбора на уровне полевых уст­ройств. Данная возможность позволяет использовать значительно меньшее число плат управления, необходимых для поддержки работы
- 77 -
системы, и, следовательно, к снижению стоимости и упрощению самой системы.
Инженерное решение
Стоимость инженерного проекта составляет основную часть общей стоимости системы. Поэтому популярность технологии полевой шины во многом обеспечивается за счет простоты инженерных реше­ний.
Полная конфигурация
Комплексируемость является одной из основных возможно­стей, необходимых для полной интеграции различных видов оборудо­вания в одной установке, обеспечивающих бесперебойную и безотказ­ную работу. Данная возможность необычайно важна для пользовате­лей - в частности ,потому, что они получают возможность выбрать технологию, позволяющую работать с широким спектром промыш­ленных продуктов от различных поставщиков в регионе потребителя, предлагающих оборудование того типа, который удовлетворяет нужды потребителя. Архитектура FOUNDATION fieldbus поддерживается по­ставщиками более 90% производимой во всем мире контрольно­измерительной аппаратуры, и список продуктов и систем FOUNDATION fieldbus постоянно пополняется. Без сомнения, допол­нительным удобством является и то, что узлы систем на основе поле­вых шин легко подключаются к системе, при этом не нужно заботить­ся о драйверах устройств или испытывать неудобства, присущие ана­логовым системам. Преимущества автоматического конфигурирования аппаратуры, известного под названием технологии «plugandplay» Бла­годаря возможностям управления работой системы/сети, встроенным описаниям устройств, а также стандартным функциональным блокам, новые устройства, устанавливаемые в сети, распознаются автоматиче­ски при подключении к шине.
Устройства, прошедшие проверку на совместимость
Fieldbus Foundation разработала программу полной проверки совместимости и комплексируемости устройств. Только та продукция, которая проходит эту тщательную проверку, помечается особым зна­ком и регистрируется компанией Fieldbus Foundation. Этот знак гаран­тирует, что зарегистрированный продукт будет работать в одной циф­ровой сети с другими зарегистрированными продуктами, независимо от того, оборудование какого поставщика используется.
- 78 -
Вопросы производительности
Помимо технологических новшеств и уменьшения стоимости полной установки, в настоящее время все промышленные устройства, соответствующие промышленным стандартам, должны обеспечивать реальные, ощутимые выгоды.
Возможность расширенного наблюдения за процессом
Технология FOUNDATION Fieldbus предусматривает подроб­ную диагностику и информацию о статусе для измеряемых параметров и обрабатываемых переменных. Это существенно облегчает процесс принятия решений для операторов и инженеров. Благодаря использо­ванию технологии описаний устройств, а также благодаря тому, что имя тэга и имя параметра хранятся непосредственно в устройстве, FOUNDATION позволяет просматривать с рабочей станции больший объем информации, в том числе тэги и другие идентификаторы, ин­формацию об используемых материалах, а также данные калибровки.
Повышение производительности
Более точные данные диагностики в технологии FOUNDATION fieldbus делают возможной реализацию предупреж­дающего ремонта и техобслуживания устройств, позволяющего поль­зователю предугадать возникновение неисправности или аварийной ситуации и принять меры до того, как возникнет неисправность или возникнет аварийная ситуация. В результате снижается вероятность неожиданных остановок работы системы и опасных ситуаций. Меха­низмы сигнализации о неполадках незамедлительно информируют оператора о возникновении неисправности. Более подробная инфор­мация о неисправном устройстве и о характере неисправности позво­ляет в кратчайший срок оценить ситуацию, определить причину неис­правности и выбрать методы ее устранения, не отходя от рабочей станции. Помогает пользователю подобрать необходимые инструмен­ты и запасные части перед тем, как приступать к ремонту и замене не­исправных деталей в полевых условиях.
Улучшение качества продукции
Упрощение процесса управления и калибровки, достигаемое за счет хранения и отслеживания информации, определяемой стандартом ISO 9000 и хранимой в устройстве, помогает поддерживать аппаратуру в хорошем рабочем состоянии. Средства дистанционной диагностики и
- 79 -
оценки производительности позволяют обнаружить устройства, не удовлетворяющие рабочим спецификациям. Можно определить при­чину отклонений от спецификаций и добиться лучшей производитель­ности устройств.
Простота эксплуатации
Обучение персонала работе на различном оборудовании – весьма дорогостоящая мера, отнимающая много времени. Стандарт полевой шины обеспечивает универсальность и дружественность пользовательского интерфейса для большинства устройств различных производителей, что отличает этот стандарт от остальных стандартов в области промышленных контрольно-измерительных систем. Это обес­печивает большую простоту в эксплуатации и предотвращает возмож­ность потенциально опасных ошибок персонала, а также существенно уменьшает время, необходимое для подготовки персонала, и снижает расходы на обучение. Возможность работы системы в режиме эмуля­ции позволяет провести безопасную проверку блокировок отключения системы.
Число установленных единиц оборудования
Некоторые протоколы в настоящее время насчитывают боль­шее число пользователей, чем FOUNDATION fieldbus, особенно если при подсчете числа единиц установленного оборудования учитывают­ся различные версии одного протокола. Однако, невозможно отрицать тот факт, что FOUNDATION fieldbus активно привлекает все большее число пользователей и получает все более широкое распространение среди производителей аппаратно-программных средств для управле­ния промышленными процессами, предъявляющих повышенные тре­бования к отказоустойчивости и надежности работы систем. За по­следние несколько месяцев системы, использующие технологию и спецификации Fieldbus Foundation, были установлены такими крупны­ми клиентами, как Dow Chemical, Syncrude Canada, Ltd. и Daishowa Paper. Среди других крупных клиентов можно назвать следующие компании: ARCO-Alaska, Sunoco (Канада), Kaneka (Малазия), Seattle Steam, CFE (Мексика), Binzhou Chemical (Китай) и PCVSA (Венесуэл­ла).
- 80 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]