Автоматизация управления технологическими процессами

В автоматизированных системах управления технологическими процесса­ми, часто называемых системами промышленной автоматизации, можно вы­делить свои иерархические уровни.

На верхнем (диспетчерском) уровне АСУТП осуществляются сбор и обра­ботка данных о состоянии оборудования и протекании производственных про­цессов для принятия решений по загрузке станков и выполнению технологичес­ких маршрутов. Эти функции возложены на систему диспетчерского управления и сбора данных, называемую SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Кроме диспетчерских функций система SCADA выполняет роль инструмен­тальной системы разработки ПО для промышленных систем компьютерной автоматизации.

На уровне управления технологическим оборудованием (на уровне контрол­ле­ров) в АСУТП выполняются запуск, тестирование, выключение станков, сиг­на­лизация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабо­чих органов программно управляемого оборудования. Для этого в составе техно­логического оборудования используются системы управления на базе про­грам­мируемых контроллеров — компьютеров, встроенных в технологическое обо­рудование. Поэтому системы промышленной автоматизации часто назы­вают встроенными системами (Embedded Computing Systems).

Техническое обеспечение АСУТП представлено персональными ЭВМ и мик­рокомпьютерами, распределенными по контролируемым участкам произ­вод­ства и связанными друг с другом с помощью промышленных шин. ПО АСУТП представлено операционными системами, программами SCADA, драй­верами и прикладными программами контроллеров.

Функции систем SCADA:

сбор первичной информации от датчиков;

хранение, обработка и визуализация данных;

управление и регистрация аварийных сигналов;

связь с корпоративной информационной сетью;

автоматизированная разработка прикладного ПО.

SCADA-системы состоят из терминальных компонентов, диспетчерских пунктов и каналов связи. Различаются SCADA-системы типами поддержива­емых контроллеров и способами связи с ними, операционной средой, типами алармов, числом трендов (тенденций в состоянии контролируемого процесса) и способом их вывода, особенностями человеко-машинного интерфейса (HMI) и др.

Связь с контроллерами и приложениями в SCADA-системах обычно осу­ще­ствляется посредством технологий DDE, OLE, OPC или ODBC. В качестве ка­налов связи используют последовательные промышленные шины Profibus, CANbus, Foundation Fieldbus и др.

Алармы фиксируются при выходе значений контролируемых параметров или скоростей их изменения за границы допустимых диапазонов.

Число одновременно выводимых трендов может быть различным, их визу­али­зация возможна в реальном времени или с предварительной буферизацией. Предусматриваются возможности интерактивной работы операторов.

Разработка программ для программируемых контроллеров выполняется на языках C/C++, VBA или оригинальных языках, разработанных для конкретных систем. Программирование обычно выполняют не профессиональные програм­мисты, а заводские технологи, поэтому желательно, чтобы языки программи­рования были достаточно простыми, построенными на визуальных изображе­ниях ситуаций. Во многих системах дополнительно используются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен в международном стандарте ШС 1131-3.

Одной из широко известных SCADA-систем является система Citect австралийской компании Ci Technology, работающая в среде Windows. Это масштабируемая сис­тема клиент- сервер со встроенным резервированием для повышения надежности. Состоит из пяти подсистем: ввода-вывода, визуализации, оповещения (алармов), трендов, отче­тов. Подсистемы могут быть распределены по разным узлам сети. Ис­пользуется ориги­нальный язык программирования Cicode.

SCADA-система Trace Mode для крупных АСУТП в различных отраслях промышлен­ности и в городских службах создана компанией AdAstra. Система состоит из инстру­ментальной части и исполнительных модулей. Предусмотрены управление технологи­ческими процессами, разработка АРМ руководителей цехов и участков, диспетчеров и операторов. Возможно использование операционных систем QNX, OS9, Windows.

Другой пример популярной SCADA-системы — Bridge VIEW (другое название -LabVIEW SCAD А) компании National Instruments. Ядро системы управляет базой дан­ных, взаимодействует с серверами устройств, реагирует на алармы. Подсистема HMI предназначена для интерфейса с пользователями и для исполнения задаваемых ими про­грамм. При настройке системы на конкретное приложение пользователь конфигуриру­ет входные и выходные каналы, указывая для них такие величины, как частота опроса, диапазоны значений сигнала и т. п., и создает программу работы при­ложения. Програм­мирование ведется на графическом языке блок-диаграмм.

С развитием сетевой инфраструктуры появляется возможность более тес­ной интеграции АСУП и АСУТП, ранее развивавшихся автономно. Использо­вание информации непосредственно от технологических процессов позволяет более рационально планировать производство и управлять предприятием. Ин­тегра­ция выражается в использовании на этих уровнях общих программных средств, баз данных, связей с Internet на основе развития РС-совместимых контроллеров и сетей Industrial Ethernet и т. п.

К ОС реального времени предъявляется ряд специфических требований, ос­новными из них являются требования высокой скорости реакции на запросы внешних устройств, устойчивости системы (т. е. способности работы без за­висаний) и экономного использования имеющихся в наличии системных ре­сурсов.

В SCADA-системах в основном применяют операционные системы UNIX или Windows NT.

Операционные системы Windows NT и Windows 2000 оказывается возможным ис­пользовать в системах реального времени, дополнив их, например, средой RTX компа­нии VenturCom. Развитый программный интерфейс RTX API, осно­ванный на Win32 API, обеспечивает создание драйверов и приложений ре­ального времени. Кроме того, Microsoft разработала специальную версию Windows NT для встроенных приложений Windows NT Embedded.

Перспективной считается ОС LynxOS - многозадачная, многопользовательская, UNIX-совместимая система. Есть средства кросс-разработки программ. Сетевые средства пре­дусмотрены для TCP/IP, ATM, FR, ISDN и др.

Авторы одной из концепций построения АСУТП рекомендуют ОС OS-9, QNX или расширения Windows NT для реального времени в случае CompactPCI и ОС QNX или VxWorks в случае использования аппаратуры на базе VMEbus.

Другая популярная ОС для встраиваемых приложений OS-9 относится к много­задач­ным, многопользовательским системам реального времени. В системе поддерживают­ся коммуникационные протоколы Х.25, FR, ATM, ISDN, SS7 и др. Для разработки прило­жений в OS-9 имеется интегрированная кросс-среда Hawk, она включает редактор, браузер исходных кодов, отладчики, компиляторы C/C++.

Операционная система QNX канадской фирмы QSSL - открытая, модульная и легко модифицируемая, она функционирует в «защищенном режиме», под­держивает шины ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32 и др.

Операционная система реального времени Vx Works выполняет функции пла­нирова­ния и управления задачами. Может функционировать в мультипроцес­сорных системах как с общей памятью, так и в слабосвязанных с использова­нием распределенных очере­дей сообщений. Система VxWorks поддерживает все сетевые средства, обычные для UNIX, а также ОРС-интерфейсы (OLE for Proc­ess Control). Она вместе с инструментальной системой Tornado является кросс-системой для разработки прикладного ПО.

Для разработки ПО реального времени используют пакеты типа Component Inte­grator. К числу известных комплексов Component Integrator относятся FIX, Factory Suite 2000, ISaGRAF и др. Назначение прикладного ПО - анализ произ­водства, воздействие на него в реальном времени.

Комплекс Factory Suite 2000 компании WonderWare, используемый при проек­тиро­вании систем промышленной автоматизации от АСУТП до АСУП, вклю­чает в себя сле­дующие подсистемы:

InTouch 7.0 - SCADA-система - для создания распределенных приложений, ви­зуали­зации процессов управления;

InControl — для управления контроллерами;

InTrack - для управления производством (контроль материально-технических запа­сов, незавершенного производства, загрузки оборудования). В частности, подсистема InTrack интегрирована в известную систему планирования ресурсов предприятия iBaan;

InBatch - для управления процессами непрерывного производства;

IndustrialSQL Server - для хранения статистики, истории производственного процес­са, данных о ситуациях;

Scout - удаленный доступ к данным о технологическом процессе.

Одной из развитых инструментальных сред разработки приложений реального вре­мени является система Tornado, разработанная для мультизадачной ОС VxWorks фирмой Wind River. Разработка приложений ведется на инструмен­тальном компьютере, кото­рым могут быть ПЭВМ или рабочие станции Sun, HP, IBM, DEC. В базовую конфигура­цию Tornado входят компиляторы C/C++, отладчики, симулятор целевой машины, коман­дный интерпретатор, браузер объектов целевой системы, средства управления проектом и др. Для разработки ПО для встраиваемых сигнальных процессоров Tornado применя­ют вместе со специальной ОС WISP. Инструментальная среда Tornado Prototyper и си­муля­тор ОС VxWorks, работающий под Windows, могут быть получены бесплатно по Internet, что позволяет провести предварительную разработку прикладной программы, а уже затем закупать полную версию кросс-системы.

Инструментальную среду ISaGRAF используют для разработки прикладного ПО про­граммируемых контроллеров PLC. Среда реализует методологию граф-схем Flowchart и пять языков программирования по стандарту МЭК 61131-3 (IEC 1131-3). Это графичес­кие языки функциональных схем SFC, блоковых диаграмм FBD, диаграмм релейной ло­гики LD и текстовые языки - паскалеподобный ST и низкоуровневый язык инструкций IL.

Контрольные вопросы по материалу лабораторного занятия №8:

1. Какую структуру имеют системы управления в промышленности?

2. Назовите характерные особенности автоматизированных систем управле­ния предприятием (АСУП)?

3. Назовите основные подсистемы АСУП?

4. Назовите функции календарного планирования производства.

5. Назовите функции оперативного управления производством.

6. Назовите функции управления проектами

7. Назовите функции финансово-экономического управления и бухгалтер­ского учета.

8. Какие функции выполняет логистика?

9. Какие функции управления персоналом?

10. Назовите функции управления информационными ресурсами.

11. Назовите основные логистические функции.

12. Какие задачи решает система MRP-1?

13. Какие задачи решает система MRP-2?

14. Какие задачи вызвали появление концепции интегрированной логистиче­ской поддержки (ИЛП)?

15. Какие функции выполняет автоматизированная система управления техно­логическими процессами?

16. Что такое система SCADA? И какие функции она выполняет?

17. Приведите примеры SCADA-систем и дайте им краткую характеристику.

18. На какие подсистемы подразделяется автоматизированная подсистема де­лопроизводства (АСД)?

19. Назовите функции системы управления документами (СУД).

20. Назовите функции системы управления документооборотом (СДО).

21. Назовите основные компоненты систем управления документами и документооборотом.

Литература:

1. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М., Изда-тельство МГТУ им. Баумана, 2002 .

2. Ли Кунву Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб, Питер, 2004.

3. Грувер М., Зиммерс Э., САПР и автоматизация производства. М., Мир, 1987.

4. Журналы САПР и графика.

5. Информационно-аналитический еженедельник COMPUTERWORLDУк­раина.

6. Конспект лекций.