Автоматизация управления линиями и участками

Цифровая передача данных между отдельными устройствами сделала вычислительную сеть основой построения систем управления и контроля. Современные системы управления технологическими процессами предусматривают цифровую связь и распределенную или децентрализованную структуру.

Рис. 12.93. Системы промышленной автоматизации.

Архитектура современной автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) в линиях и участках включает четыре уровня (рис. 12.93).

На нулевом уровне находятся датчики, исполнительные механизмы и контролеры, объединенные в единую коммуникационную цифровую сеть —полевую шину. Это позволяет заменить большое число линий связи, идущих от датчиков и исполнительных механизмов к каналам ввода—вывода контроллера, одним кабелем. К приборам нижнего уровня по этому кабелю передается также электропитание. Это снижает затраты на монтаж оборудования. Каждое устройство оснащают самостоятельным вычислительным блоком, что позволяет осуществлять местное управление, настройку и диагностику оборудования.

На уровне 1 находятся устройства связи с объектом УСО, которые принимают с объекта и выдают на объект группу аналоговых и дискретных сигналов, а также связаны через различные адаптеры с полевой шиной, контроллерами и компьютерами. Устройства уровня 1 являются безынициативными, работают под управлением компьютеров и контроллеров и располагаются рядом с объектом управления. Использование УСО снижает затраты на монтаж линий связи.

На уровне 2 находятся контроллеры, связанные с датчиками, УСО и исполнительными механизмами. Данные системы комплектуются программно совместимыми с обычными компьютерами, но адаптированы и для жестких условий работы в цехе. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуют дополнительными платами — адаптерами расширения.

На уровне 3 располагаются станции в виде IBM-совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип безщитовой автоматики. Основной операционной системой для АСУ ТП верхнего уровня является WINDOWS NT.

При создании современных АСУ ТП наблюдаются мировая интеграция и унификация технических решений. Основное требование современных систем управления — открытость системы для подсоединения к ней аппаратных средств, не предусмотренных ранее.

Современная АСУ ТП предусматривает связь с корпоративными системами управления предприятия (АСУП), которые в мировой литературе обозначаются как ERP-системы (Enterprise Resource Planning) — планирование ресурсов предприятия или MPR II системы (Manufacturing Resource Planning) — планирование ресурсов производства. Первые системы ориентированы на предприятие в целом, а вторые — на его технологическое подразделение (рис. 12.94). Они строятся по принципу пирамиды и охватывают весь цикл работы предприятия от системы управления нижнего PLC-уровня до ЕЛР-системы управления предприятия в целом.

Основу программного обеспечения уровня 3 составляет SCADAпрограмма (Supervisory Control And Data Acquisition) — система сбора данных и оперативного диспетчерского управления, реализующая все основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления — PLC-уровню.

SCADA позволяет собирать информацию с отдельных приборов, расположенных в разных местах, представлять ее на экране компьютера и сохранять данные в файлах для дальнейшего просмотра и обработки.

Рис. 12.94. Интегрированные системы управления производством

Эта система состоит из инструментального и исполнительского комплексов.

Инструментальный комплекс предназначен для разработки конкретного программного обеспечения автоматизированных рабочих мест (АРМ) технолога, оператора, диспетчера и др.

Исполнительный комплекс реализует разработанное программное обеспечение в определенной операционной среде.

Диспетчерское управление и сбор данных SCADA является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами.

В последние десятилетия возрос интерес к проблеме построения и эффективного использования систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и коммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. В настоящее время большинство аварий — до 80% в промышленных системах связано с человеческим фактором.

Современные SCADA-системы ориентированы прежде всего на человека-оператора, его возможности при управлении сложными и быстродействующими системами. Они осуществляют процесс сбора информации в реальном времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами.

Человек-оператор выполняет в системе диспетчерского управления пять функций:

планирует, какие следующие действия необходимо выполнить;

обучает (программирует) компьютерную систему на последующие действия;

отслеживает результаты работы системы;

вмешивается в процесс в случае критических событий, когда автоматика не может справиться или при необходимости регулирования параметров процесса;

обучается в процессе работы (накапливает опыт).

Основные особенности процесса управления в современных диспетчерских системах заключаются в следующем:

процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека-оператора;

оператор несет общую ответственность за управление системой, которая в нормальных условиях только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимального результата;

активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени — в случае наступления критических событий, отказов или других нештатных ситуаций;

действия операторов в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени — несколькими минутами или секундами.

Основные функции SCADA-системы в части функционирования дисплейного пульта могут быть следующие:

сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора (с РлС-уровня);

первичная вычислительная и логическая обработка измерительной информации;

архивирование и хранение текущей информации и ее дальнейшая обработка;

представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация динамических мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов, выделение аварийных ситуаций и т. д.);

печать отчетов и протоколов в заданные моменты времени, показ и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие устройства системы;

решение прикладных задач пользователя и их связь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через сетевые структуры.

Существует промежуточная группа — MES-системы (Manufacturing Execution Systems), которая отвечает:

за управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;

планирование и контроль последовательности выполнения операций технологического процесса; управление качеством продукции;

хранение исходных материалов и готовой продукции по технологическим подразделениям;

техническое обслуживание производственного оборудования; связь систем ERP и SCADA.

Одна из причин возникновения MES-систем — необходимость локального управления на уровне технологического подразделения. Однако информационные базы отдельного цеха и всего предприятия должны оставаться едиными.

Вторая причина — необходимость более оперативного взаимодействия с РлС-уровнем, АСУ ТП. Например, в пищевой промышленности выделяется задача управления технологическими последовательностями — обеспечение выпуска продукции в нужном объеме с заданными технологическими характеристиками, с возможностью перехода на новый вид продукции. Параллельно стоят задачи ведения архива значений технологических переменных с возможностью восстановления производственных ситуаций прошедших периодов и анализа нештатных ситуаций, обучения персонала и оптимизации технологического процесса.