Введение в АСУ ТП

Автоматизированным Системам управления (АСУ) — совокупность математических методов, технических средств и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом или процессом в соответствии с заданной целью.

АСУ ТП — одна из типов систем, в которой в качестве объекта управления выступают технические объекты.

Основными характерными особенностями АСУ ТП являются:

• наличие в составе их современных автоматических средств сбора и переработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники;
• человек выступает в роли субъекта труда, основные функции которого заключаются в принятии управляющих решений на основе предоставляемой ему информации об объекте управления и данных о возможных альтернативных вариантах решений;
• осуществление переработки технической и технико-экономической информации;
• целью функционирования является повышение эффективности функционирования ТОУ в соответствии с принятым критерием управления;
• выработка управляющих воздействий производится в реальном масштабе времени;
• возможность иметь многоуровневую иерархическую структуру.

Архитектура системы

Архитектура системы может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации. Такими задачами могут быть:

• мониторинг;
• автоматическое управление;
• диспетчерское управление;
• обеспечение безопасности.

Основой построения любой АСУ является декомпозиция (деление на части).

Декомпозиция может быть функциональной или объектной.

При объектной декомпозиции используются распределенные системы управления, когда каждый объект автоматизации оборудуется локальным технологическим контроллером. При функциональной декомпозиции систему автоматизации делят на части, группируя сходные функции, а для каждой группы функций используют отдельный контроллер.

Независимо от метода декомпозиции, основным ее результатом должно быть представление системы в виде набора слабо связанных частей. Слабая связь между частями системы означает отсутствие между ними обратных связей, а так же отсутствие интенсивного обмена информацией.

Типы систем автоматизации

Простейшая система автоматизации на базе одного компьютера — используется для контроля и управления простых устройств в не большом количестве.

Распределенная система автоматизации состоит из множества территориально разнесенных контроллеров и модулей ввода-вывода. Данная система используется, когда необходимо автоматизировать объект с сильно разветвленной и территориально разнесенной структурой объектов. Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.

Многоуровневая архитектура — когда промышленная сеть, объединяющая различные устройства (контроллеры, модули ввода-вывода) подключается к локальной сети Ethernet или глобальной сети «Интернет». Такая архитектура АС удобна при коллективной работе с системой автоматизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим. Пример такой системы показан на рисунке:

Основные преимущества данной системы:

Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контроллерам осуществляется с помощью ОРС-сервера. ОРС-серверы могут располагаться на нескольких компьютерах или контроллерах и доступ к любому из них может осуществляться с любого компьютера сети.

Благодаря наличию сети Ethernet в систему легко могут быть включены серверы баз данных, коммуникационные серверы, принтеры, технологическое оборудование и другие устройства.

Система управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу, когда структура системы выбирается подобной структуре объекта автоматизации, а каждая подсистема является локальной. Объектный принцип построения позволяет упростить проектирование многоуровневой системы и обеспечить ее структурную надежность.

При построении данной Системы используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности.

Особые характеристики средств промышленной автоматизации достигаются в частности использованием особой технологии изготовления микросхем — в промышленных микроконтроллерах, как правило, не приветствуется использование вентиляторов (на процессорах, блоках питания), так как любые движущиеся части — являются наименее надёжными частями изделия, поэтому все микросхемы должны охлаждаться за счёт естественной циркуляции воздуха (конвекции). Для этого их изготавливают по специальной технологии, позволяющей значительно снизить потребление электрической энергии.

Предлагаемая система реализована по трехуровневой схеме.

Основные функции нижнего уровня:

Низший уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства:

• передача данных от технологического оборудования в устройства ввода-вывода;
• включение исполнительных устройств по команде оператора;
• организация системы защит и блокировок;
• обмен текущими данными с контроллерами и блоками ввода-вывода верхнего уровня через промышленную сеть.

Основные функции среднего уровня:

Средний уровень состоит из программируемых логических контроллеров и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети:

• сбор;
• электрическая фильтрация АЦП сигналов с преобразователей (датчиков);
• реализация локальных АСУ технологического процесса в объеме функций ПЛК одноуровневой системы;
• реализация аварийной и предупредительной сигнализации;
• организация системы защит и блокировок;
• тестирование компонентов системы.

Основные функции верхнего уровня:

Верхний (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций — компьютеров с человеко-машинным интерфейсом. Права операторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Важной частью данного уровня являются так же базы данных реального времени, являющиеся хранилищем информации. На верхнем уровне возможно несколько операторских (рабочих) станций (автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора):

• визуализация состояния технологического процесса;
• текущая регистрация характеристик технологического процесса;
• оперативный анализ состояния оборудования и технологического процесса;
• регистрация действий оператора, в том числе при аварийных сообщениях;
• архивация и длительное хранение значений протоколов технологического процесса;
• реализация алгоритмов «системы советчика»;
• супервизорное управление;
• хранение и ведение баз данных;
• параметров техпроцессов;
• критических параметров оборудования;
• признаков аварийных состояний технологического процесса;
• состава допускаемых к работе с системой операторов (их паролей).

Преимущества использования промышленной автоматики

• появляется возможность быстрого получения достоверной статистической информации, которую получить измерениями «вручную» практически невозможно из-за больших затрат времени;
• результаты работы могут быть представлены в наглядной форме на экранах ПЭВМ в виде графиков и автоматически заполненных бланков отчетов с результатами по каждому объекту.

Преимущества распределенной системы по сравнению с сосредоточенной системой

• уменьшают длину проводов, по которым передаются аналоговые сигналы и общую длину проводов в системе, упрощают монтаж системы и улучшают ремонтопригодность;
• снижают цену и требования к качеству кабелей, поскольку вместо аналоговых сигналов передаются цифровые;
• имеют повышенную помехоустойчивость;
• имеют повышенную надежность и «живучесть»;
• стоимость работ по установке, тестированию, вводу в эксплуатацию и сопровождению распределенной системы гораздо ниже, чем сосредоточенной;
• «распределенный интеллект» увеличивает быстродействие системы;
• упрощается наращивание (развитие) системы.

Использование универсальных компонентов позволяет планировать испытания различной сложности при низкой стоимости разработки, программного обеспечения и аппаратной части системы.