Системы автоматизации и управления технологическими процессами

Схема взаимоотношения между узлами сети основана на принципе Master\Slave. В HART - сети может присутствовать до 2-х Master-узлов (обычно один). Второй Master, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи, с какой либо системой контроля \ отображения данных. Стандартная топология - «звезда», но возможна и шинная топология. Для передачи данных по сети используются два режима:

- асинхронный: по схеме «Master - запрос/ Slave - ответ» (один цикл укладывается в 500мс);

- синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные мастер - узлу (время обновления данных в мастер - узле 250-300мс).



Рисунок 3.5 - Кодировка сигнала методом частотного сдвига

Основные параметры HART - протокола:

- длина полевой шины - 1,5км;

- скорость передачи данных - 1,2 Кб/с;

- число приборов на одной шине - до 16.

HART - протокол позволяет:

- проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерений через удаленную полевую шину;

- не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания (электропитание реализуется от блоков питания контроллеров через полевую шину);

- увеличить информационный поток между контроллером и приборами, при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о неисправностях по полевой шине, а далее - оператору.

Протокол PROFIBUS

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен сложными, длинными сообщениями со средней скоростью. В другом - требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа во взрыво- и пожароопасных условиях производства. PROFIBUS имеет эффективное решение для любого из этих случаев.

PROFIBUS - семейство промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия. Под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Рисунок 3.6 - Характеристики протокола PROFIBUS

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение - передача больших объемов данных. Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного обмена данными между программируемым логическим контроллером и распределенными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи - экранированная витая пара стандарта RS-485.

Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-Slave» (ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает управляющие команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

PROFIBUS-PA - это сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.

Протокол PROFINET

PROFINET - это инновационный открытый стандарт Industrial Ethernet (IEC 61158) для систем промышленной автоматизации. PROFINET обеспечивает доступ к устройствам полевого уровня со всех уровней управления предприятием. PROFINET позволяет выполнять системно широкий обмен данными, поддерживает проектирование в масштабах предприятия и использует IT стандарты вплоть до полевого уровня. Существующие сети полевого уровня (например, PROFIBUS) могут быть интегрированы в PROFINET без модификации установленной аппаратуры. В стадии подготовки находятся решения для автоматизации непрерывных и периодических процессов.

Уже сейчас PROFINET хорошо зарекомендовал себя в автомобильной и пищевой промышленности, на предприятиях по производству напитков и табачных изделий, в логистике и других областях. PROFINET - это всеобъемлющий стандарт, охватывающий все требования по использованию Ethernet в системах автоматизации.

PROFINET позволяет производить простое подключение существующих сетей полевого уровня. Подключение выполняется через модули, выполняющие функции proxy сервера. По отношению к сетям PROFIBUS или AS-Interface они выполняют функции ведущих устройств. В сети Industrial Ethernet они способны осуществлять обмен данными со станциями, поддерживающими стандарт PROFINET. Такой подход позволяет защищать инвестиции предприятий, сделанные на более ранних этапах построения системы автоматизации.

PROFINET базируется на функциональных возможностях Industrial Ethernet и использует стандарт TCP/IP (транспортный протокол/ Internet протокол) для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики. Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными в сети Ethernet.

3.7 Протокол INDUSTRIAL INTERNET

На уровне управления производством сети Ethernet уже давно завоевали себе прочное лидирующее место. Решения на базе Ethernet практически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений, и сегодня Ethernet является основным средством обмена в локальных сетях. В последнее время Ethernet стал активно проникать и в комплексы управления производственными процессами. Появился целый ряд аппаратных средств (коммутаторов и концентраторов), выполненных в соответствии с требованиями промышленных условий эксплуатации. Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к использованию хорошо адресуемых логических протоколов. Уже сейчас большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP. Это позволяет легко интегрировать локальные системы управления технологическими процессами в сети любого масштаба, включая глобальную сеть Internet. Основным фактором, обеспечившим Ethernet победное шествие в сфере АСУ, явилось наличие огромного выбора совместимых между собой аппаратных и программных средств построения сетей этого стандарта.

Большое количество производителей и конкуренция между ними дали естественный экономический результат: решения на базе Ethernet практически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений.

Поэтому следует считаться с желанием пользователей распространить сферу применения Ethernet в промышленные цеха на уровень низовой автоматики. Но очевидно, что использование стандартного набора аппаратных и программных решений в САУ ТП невозможно, так как офисное оборудование не выдержит эксплуатации в запыленных помещениях, а протокол 802.3 не гарантирует сеть от «зависания» при повышении интенсивности трафика. Тем не менее, промышленный Ethernet существует и активно расширяет сферу своего применения.

Сравнительная характеристика сетей и шин

Таблица 3.3 - Сравнительная характеристика сетей и шин

Сеть	Топология, метод доступа	Физическая среда	Длина	Скорость	Узлы
Ethernet	Шина, звезда	Коак. кабель Витая пара оптоволокно	100м 2800м	10Мбод 100Мбод
Profibus	Шина M\S, маркер	Витая пара оптоволокно	9600м 90км	12Мбод	125
BitBus	Шина M\S	2-ве пары проводников	300м 1200м	375Кбод 62,5Кбод	28
MODBUS	Шина M\S	Витая пара	1200м	115,2КБод	254
DeviceNet	Шина	Витая пара	100м 500м	500Кбод 125Кбод	64
ASI	Шина, звезда, кольцо, M\S	Витая пара	100м - сегмент	-	31
HART	Шина M\S		1500м	1,2Кбод	16
Fieldbus Foundation	Шина, звезда			До 1Мбод	16

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите недостатки централизованных САУ ТП?

2. Что представляет собой промышленная сеть?

3. Какие функции которые выполняет каждый узел промышленной сети?

4. Особенности промышленных сетей по отношению к централизованным?

5. Что представляет собой модель ISO/OSI?

6. Опишите каждый из уровней модели ISO/OSI?

7. Что означает термин "Локальные сети"?

8. Критерии разделения локальных сетей.

9. Сетевые узлы это?

10. Перечислите топологии сетей?

11. Что представляет собой AS - интерфейс?

12. Назначение HART протокола?

13. Основные достоинства PROFIBUS протокола?

14. Характеристики протокола PROFIBUS?

15. Назначение протокола INDUSTRIAL INTERNET?

4. Техническое обеспечение САУ ТП

4.1 Программируемые логические контролеры

В архитектуре САУ ТП контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень) и системами уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе - сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы. Большинство современных контроллеров изготавливается по секционно-блочному принципу. Каждый логический модуль физически представляет собой отдельный блок, который устанавливается либо в монтажную корзину, либо на единую монтажную шину. Коммутация между модулями осуществляется через единый монтажный кросс.

Такой конструктив позволяет широко варьировать количество используемых модулей и оптимально подстраивать физическую архитектуру контроллера к решаемой задаче. Кроме того, такое построение удобно в обслуживании, модернизации и ремонте. При необходимости заменяются лишь отдельные модули без изменения архитектуры всей системы.

Основными функциональными элементами контроллеров являются:

* корпус;

* источник питания;

* процессорный модуль;

* модули ввода-вывода (модули Устройство Связи с Объектом);

* модули связи и интерфейсов (коммуникационные модули);

* специализированные модули.

Источник питания должен обеспечивать непрерывность и надежность работы всех узлов контроллера. Особое внимание уделяется наличию резервного источника питания (как правило, аккумуляторная батарея), который, позволяет сохранять информацию при отключении внешнего электропитания.

Модуль процессора в зависимости от используемой элементной базы может быть 8-, 16- и 32- разрядным. Объем оперативной памяти существенно различается в различных моделях контроллеров: от десятков килобайт до десятков мегабайт. По логическому построению модуль процессора контроллера аналогичен системному блоку персонального компьютера, где вместо дисковых накопителей в контроллерах используются перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ) и flash-память. В некоторых моделях контроллеров flash-память отсутствует, в других - может достигать десятков, а иногда и сотен мегабайт. В модуле процессора встроены также часы реального времени (RTC).

Модули ввода-вывода предназначены для преобразования входных аналоговых и дискретных сигналов в цифровую форму и выдачи управляющего воздействия в виде аналогового или дискретного сигнала. Модули аналогового ввода рассчитаны на ввод унифицированных сигналов тока (0 … 5мА, 4… 20мА) и напряжения (0 … 10В,± 10В). Имеются специализированные модули аналогового ввода, рассчитанные на непосредственное подключение различных датчиков (например, термопар, термосопротивлений). Модули аналогового вывода преобразуют цифровой сигнал в унифицированный сигнал тока или напряжения. Модули дискретного ввода-вывода чаще всего работают с низкоуровневыми дискретными сигналами (24В постоянного тока). Некоторые модели контроллеров располагают модулями дискретного ввода высокоуровневых сигналов постоянного или переменного тока (до 250В) и модулями дискретного вывода, организованных с использованием тиристоров, симисторов (до 250В, 300 … 500 мА) и сильноточными реле (250В, 2 А).

Модули связи и интерфейсов обеспечивают связь контроллеров с верхним уровнем, а также между собой. В практике построения САУ ТП используются различные интерфейсы и протоколы передачи данных посредством сети: последовательные интерфейсы: RS-232, 422, 485 и т.д.; сетевые протоколы: Ethernet, Profibus, CAN, Modbus и др. Все современные программируемые логические контроллеры (ПЛК) обладают развитыми программными средствами. Несмотря на существование международного стандарта на языки программирования программируемых логических контроллеров IEC 61131-3 многие производители снабжают свои контроллеры технологическими языками собственного производства. Технологические языки программирования позволяют проводить опрос входов и инициализацию выходов, обрабатывать арифметические и логические инструкции, управлять таймерами-счетчиками, осуществлять связь с другими ПЛК и компьютером.

Ввод программы в память контроллера осуществляется с помощью специальных программаторов или через интерфейс компьютера. Почти каждый производитель вместе с контроллерами поставляет пакет программ для создания и отладки контроллерного ПО на компьютере. Поставляются также различные симуляторы и специализированные редакторы, в том числе графические. После отладки программ контроллеры могут сохранять их в энергонезависимых ПЗУ, из которых программа перегружается в ОЗУ после включения питания или инициализации контроллера.

Многие современные контроллеры комплектуются программируемыми терминалами для отображения выполняемого процесса, что позволяет организовать удобное место оператора, не используя персональные компьютеры.

Все универсальные микропроцессорные САУ ТП подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте управления.

4.2 Классификация микроконтроллеров САУ ТП

Контроллер на базе персонального компьютера (PC)

Это направление существенно развилось в последнее время, что объясняется в первую очередь, следующими причинами:

- Повышением надежности РС;

- Наличием множества модификаций персональных компьютеров в обычном и промышленном исполнении;

- Использование открытой архитектуры;

- Легкости подключения любых блоков ввода/вывода, модулей УСО, выпускаемых третьими фирмами;

- Возможностью использования широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения для операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления. Контроллеры на базе PC, как правило, используют для управления небольшими замкнутыми объектами, а промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит несколько десятков, а набор функций предусматривает сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе PC можно очертить следующими условиями:

- Выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта управления (необходима большая вычислительная мощность);

- средства автоматизации работают в окружающей среде не слишком отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

- Реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, PASCAL;

- Практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами. К функциям такой поддержки относятся глубокая диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматического резервирования, в том числе, устранение неисправностей без остановки работы контроллера, модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т.д. На рынке контроллеров, на базе PC в Казахстане успешно работают компании: OCTAGON, ADVANTECH, ANALOG DEVICES и др. Многие казахстанские фирмы закупают компьютерные платы и модули ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры.

Локальные программируемые контроллеры (PLC)

В настоящее время в промышленности используется несколько типов локальных контроллеров:

- встраиваемые в оборудование и являющиеся его неотъемлемой частью. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и другим оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования.

- автономный, реализующий функции контроля и управления не большим, достаточно изолированным технологическим объектом, как например, районные котельные, электрические подстанции. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме «ТОЧКА-ТОЧКА» с другой аппаратурой и интерфейсы, которые могут через сеть связывать их с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш. Контроллеры данного класса, как правило, имеют небольшую или среднюю вычислительную мощность. Мощность представляет собой комплексную характеристику, зависящую от разрядности и частоты процессора, а также объема оперативной постоянной памяти. Локальные контроллеры чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, но существуют модели контроллеров, поддерживающие свыше сотни входов/выходов. Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования и программно - логического управления. Многие из них имеют один или чаще несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации. В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты. Они отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с локализацией их до отдельной платы, резервирование, как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. Наиболее распространены следующие способы резервирования:

* горячий резерв отдельных компонентов и/или контролера в целом (при не прохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

* троирование основных компонентов и/или контролера в целом с «голосованием» по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, давший иной результат, объявляется неисправным);

* работа по принципу «пара и резерв». Параллельно работает пара контроллеров с «голосованием» результатов, и аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

4.3 Коммутаторы, концентраторы и интеграторы

В современных экономических условиях вследствие финансовых трудностей большинство предприятий не может провести комплексную автоматизацию всего производства или его модернизацию. Приходится выбирать наиболее слабое место в производстве и модернизировать именно его, при этом обеспечивая совместимость с существующими работающими подсистемами АСУ.

На этом этапе приходится решать следующие задачи:

- согласование физических интерфейсов и протоколов различных промышленных сетей (Profibus, CANbus, Modbus, LonWork и др.) и локальных сетей с их базовыми протоколами (TCP/IP, IPX/SPX, NetBios и т.д.);

- поддержка работы модемов и радиомодемов для обеспечения взаимодействия с удаленными контроллерами и подсистемами;

- синхронизация взаимодействия различных подсистем, обеспечение единого времени и адресации параметров системы (при необходимости формирования базы данных системы);

- обеспечение взаимодействия со SCADA-системами, СУБД и человеко-машинными интерфейсами верхнего уровня.

Эти задачи решаются с использованием различного рода коммутаторов, концентраторов и интеграторов. Их аппаратное и программное оснащение в зависимости от выполняемых функций может варьироваться в широком диапазоне от недорогого контроллера, выполняющего роль шлюза для нескольких промышленных сетей, до крупного сервера с широким набором функций, объединяющего большое количество неоднородных подсистем.

Коммуникационный сервер (сервер-шлюз, коммутатор). Основные функции серверов этого типа - поддержка различных промышленных и локальных сетей и обеспечение транспорта данных из одной сети в другую (Рисунок 4.1). Как правило, они используются в тех случаях, когда имеются подсистемы с различными промышленными сетями, где нет необходимости вести дополнительную обработку данных, а достаточно только организовать взаимодействие подсистем с помощью прозрачной передачи данных из одной подсистемы в другую.

Рисунок 4.1 - Коммуникационный сервер

Концентратор (сервер данных) включает в себя функции коммуникационного сервера, выполняя при этом такие дополнительные функции, как сбор и первичная обработка данных от группы контроллеров нижнего уровня, а также обеспечивает информационный канал к системам верхнего уровня (архивирование и визуализация данных) (Рисунок 4.2).

Интеграционный сервер обеспечивает интеграцию различных подсистем в единую САУ ТП. Это полнофункциональные серверы, наиболее мощные среди всех типов серверов по аппаратному и программному оснащению. Они включают в себя функции коммуникационного сервера и концентратора. Кроме того, выполняют широкий набор специальных функций, по обработке данных, реализуют комплексные алгоритмы управления, обеспечивают синхронизацию работы подсистем и поддержку единого времени в системе и пр. (Рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 - Концентратор

Рисунок 4.3 - Интеграционный сервер

Вопросы для самопроверки

1. Основная функция контроллеров?

2. Перечислите основные функциональные элементы контроллеров.

3. Что представляет собой контроллеры на базе персонального компьютера?

4. Что представляют собой программируемые локальные контроллеры (PLC)?

5. Концентратор это?

6. Основное назначение коммуникационного сервера?

7. Задачи, выполняемые интеграционным сервером?

8. Основные способы резервирования?

5. ПРОГРАММНОЕ обеспечение САУ ТП

5.1 Классификация программного обеспечения

Программное обеспечение САУ ТП разделяется на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение (СПО) составляют операционные системы реального времени (ОС РВ) контроллеров и рабочих станций (пультов оператора).

В отличие от обычных (офисных) операционных систем операционные системы реального времени обеспечивают гарантированное время доступа к компьютерным ресурсам и реакции системы на незапланированные внешние события и способны поддерживать быстротекущие технологические процессы (порядка милли- и микросекунд). Наиболее широко распространенные ОС РВ - OS9/OS9000, QNX, VxWorks, LinxOS, VRTX, pDOS, pSOS+, RTOS-32. В последнее время расширяется область применения в качестве систем реального времени операционных систем Windows NT с промышленной надстройкой, Windows CE.

Прикладное программное обеспечение (ППО) подразделяется на: ППО контроллеров:

Это непроцедурные технологические языки, позволяющие легко реализовывать логические операции. Конфигуратор и библиотека программных модулей (модули математических функций, первичной обработки информации, регулирования). Особенностями ППО контроллеров являются: простота использования технологических языков. Наличие в библиотеке модулей современных совершенных алгоритмов (алгоритмы самонастройки регуляторов, адаптивного управления, нечеткого регулятора и др.). Некоторые контроллеры могут исполнять программы, написанные на языках высокого уровня (C, Pascal, VB).

ППО пультов операторов.

Включаемые в САУ ТП по желанию заказчика пакеты прикладных программ как общего назначения (статистическая обработка информации, экспертная система поддержки принятия управленческих решений и т.п.), так и объектного (рациональное, а иногда оптимальное управление типовыми процессами).

Разработка прикладного программного обеспечения пультов оператора может осуществляться двумя путями: с использованием традиционных языков программирования (С++, Pascal и др.) или с использованием существующих готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств. Процесс создания ППО с нуля с использованием традиционных языков программирования для сложных распределенных систем управления является недопустимо длительным, требующим огромных затрат труда высококвалифицированных программистов. Такой подход с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (например, отсутствует подходящий драйвер). В настоящее время большое распространение при создании систем автоматизации технологических процессов, получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов, называемых конфигураторами пультов оператора, или SCADA - программами. SCADA - это аббревиатура термина Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных.

В последнее время эти системы имеют более точное название: MMI/SСАDА, где MMI (Man Machine Interface) определяет наличие человеко-машинного интерфейса. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное программное обеспечение пультов оператора, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станций компьютерных сетей.

До середины 80-х годов фирмы, выпускающие микропроцессорные системы управления, разрабатывали свои собственные, закрытые SCADA - программы, предназначенные только для среды данной системы. Со второй половины 80-х годов ряд зарубежных фирм, а с 90-х годов и многие российские фирмы стали разрабатывать универсальные и открытые SCADA - программы, имеющие совокупность интерфейсов, протоколов, драйверов, которые можно использовать для широкого класса разнообразных микропроцессорных систем. На казахстанском рынке получили распространение несколько десятков SСАDА-программ, среди которых InTouch (Wonderware, США), Factory Link (United States DATA Co., США), Genesis (Iconics, США), iFIX (Intellution, США), Trace Mode (AdAstra, Россия), WIN CC (Siemens, Германия), MasterScada (inSAT, Россия), DigiVis (ABB, Германия).

Основные функции SCADA - программ в части разработки дисплейного пульта (инструментальный комплекс SCADA) и в части работы пульта в реальном масштабе времени (исполнительный комплекс SCADA) следующие:

- сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора (в том числе на основе стандартных протоколов DDE, OPC);

- первичная (вычислительная и логическая) обработка измерительной информации;

- архивирование и хранение текущей информации и дальнейшая ее необходимая обработка;

- представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов);

- выделение аварийных и предаварийных ситуаций с автоматической генерацией сигналов тревоги;

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

- регистрация всех действий оператора (ручной запуск процесса, аварийный останов, изменение настроечных параметров системы и т.д.);

- регистрация всех ошибок и событий внутри системы управления (аппаратные тревоги, ошибки работы сети и т.д.);

- защита от несанкционированного доступа и предоставление различных прав пользователям во время работы с системой;

- печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, представление и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;

- решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;

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

Использование SCADA-систем позволяет существенно повысить эффективность производственного процесса за счет:

- более точного соблюдения технологических нормативов и регламента, и как следствие, уменьшения процента брака и стабилизации качества продукции;

- минимизации рутинных действий диспетчера или оператора, концентрации его внимания на выработке точных и эффективных решений по управлению процессом;

- устранения или минимизации ошибок, допускаемых операторами за счет дополнительного программного контроля правильности формирования команд дистанционного управления;

- автоматического выявления аварийных и предаварийных ситуаций, гарантированного оповещения о них;

- снижения простоев оборудования, вызванных неравномерной загрузкой производственных мощностей;

- своевременной генерацией отчетов и предоставления полной необходимой информации руководящему персоналу;

- анализа факторов, влияющих на качество готовой продукции.

5.2 Структура программного обеспечения (ПО)

Программное обеспечение САУ ТП является такой же неотъемлемой частью современной системы, как и аппаратное обеспечение. От правильности проектирования и использования ПО зависят все основные показатели качества и надёжности системы автоматики в целом.

- Часть программного обеспечения - системное ПО обычно поставляется фирмой и рассчитано на конкретную вычислительную платформу, используемую в конкретной САУ ТП.

- Функционально близко к системному программному обеспечению находится специальное программное обеспечение, предназначенное не для автоматического управления, а для оперативного наблюдения за ходом процессов в системе, ведения архивов, отчётов, наглядного представления текущих параметров процессов, организации виртуальных измерительных приборов, дисплеев и т.п. Это - SCADA системы (System Control And Data Aquisition). Эти системы обычно не работают в жёстком реальном времени. Имеется достаточное количество таких готовых систем (например, система Trace Mode или система DigiVis). В целях обеспечения независимости от производителя, а также в целях повышения надёжности и проблемной ориентированности часто такие системы создают специально.

- Другая часть программного обеспечения - драйверы устройств должна быть результатом согласования фирм-разработчиков устройств и фирм - разработчиков системного ПО. Чаще всего такое согласование достигается путём следования стандартам разработки драйверов. Однако, к сожалению, часто эта часть программного обеспечения оказывается недостаточно качественной. Во всяком случае, инженер по автоматике - проектировщик всей САУ ТП обязан уделять этому аспекту особое внимание.

- Наконец, имеется ещё один тип программного обеспечения, предназначенного для решения либо конкретных вычислительных задач, возникающих в данной САУ ТП, или для управления специальными (нестандартными) устройствами. Это прикладное программное обеспечение вынужден создавать разработчик конкретной САУ ТП. При этом часто приходится использовать язык ассемблера, так как требуется высокое быстродействие и предсказуемость поведения программы. Особенно это справедливо при программировании специализированных контроллеров, непосредственно связанных с объектами управления.

Возможность работы в реальном времени, обеспечение высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов - все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс. Основное требование (помимо надёжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно выделить отличительные качества промышленных вычислительных систем:

- максимально возможная адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам;

- использование распространенных и проверенных и отработанных промышленных стандартов (как правило, VME), что позволяет обеспечить совместимость большого разнообразия оборудования и унифицировать протоколы взаимодействия с ним;



Рисунок 5.1 - Структура программного обеспечения

- использование операционных систем реального времени (ОС РВ), гарантирующих выработку сигналов обратной связи за фиксированный промежуток времени.

Как и всякая другая операционная система, ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычислительной техники в автоматике:

- обеспечение бесконфликтного взаимодействия множества параллельных задач (процессов) с аппаратурой;

- бесконфликтное разделение общих ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.);

- обеспечение безопасной передачи данных между процессами в защищённых адресных пространствах;

- обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам, чтобы программисту не надо было писать соответствующие коды;

- обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки;

- поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров);

- создание вычислительной среды повышенной надёжности;

Но именно ОСРВ эти функции выполняет за гарантированное и известное время.

Существуют разные структуры ОСРВ (монолитные, на основе микроядра, объектно-ориентированные), но главное заключается в том, что любая ОС отделяет собой аппаратуру от исполняемых задач, гарантируя стандартные надёжные методы доступа к ней, и обеспечивает взаимодействие между задачами.

Ряд операционных систем (NT 4, Windows 2000, Windows XP), основанных на ядре NT, широко применяются в офисных приложениях и демонстрируют вполне достойную надёжность. Наличие огромного объёма программного обеспечения и армии разработчиков позволяет, в принципе, полагать, что при надлежащей модификации кода операционной системы её можно будет применять и в промышленных приложениях. Было бы желательно иметь одну и ту же ОС на всех уровнях индустриальной иерархии.

5.3 Прикладное программное обеспечение, принципы программирования

Вопрос о прикладном программном обеспечении САУ ТП является чрезвычайно широким, таким же, как и спектр задач, решаемых конкретными системами. Остановимся лишь на некоторых важнейших аспектах классификации этого ПО. С точки зрения инженера, создающего комплекс средств САУ ТП, - прикладное программное обеспечение можно разбить на следующие важнейшие группы:

- дополнение к операционной системе (драйверы и т.п.);

- программы управления, снятия (получения), передачи данных, обработки данных, планирования и т.п., то есть прикладные вычислительные задачи;

- программное обеспечение локальных регуляторов. Эта часть программного обеспечения часто создаётся для специализированных микроконтроллеров и поэтому имеет свои особенности.

Важно также учитывать то обстоятельство, что для создания этих разнородных частей прикладного программного обеспечения используются совершенно разные методы программирования. Наиболее традиционной частью являются прикладные вычислительные задачи. Решать эти задачи стремятся традиционными методами и для этого стараются использовать программирование на языках высокого уровня, не упуская при этом из видимости тот факт, что работа программы должна вестись в реальном времени. Обычно удаётся здесь обойтись программированием на языке С, С++, Pascal, привлекая для этого (по возможности быстродействия) интегрированные среды типа Visual C, Builder или Delphi.

- Если это удаётся, то имеется возможность создания мощного современного программного обеспечения, удовлетворяющего всем требованиям к интерфейсам пользователя.

- Непреодолимым барьером здесь может оказаться отсутствие требуемых средств разработки ПО для конкретной ОС РВ. В настоящее время для всех популярных ОС РВ имеются, по крайней мере, компиляторы языка С. Это существенно облегчает работу программиста.

При создании программного обеспечения для локальных контроллеров важно придерживаться следующих принципов:

- При разработке проекта САУ ТП стараться обеспечить однородность вычислительной платформы, что позволит в дальнейшем упростить программирование. В настоящее время реально это означает, что целесообразно в локальных системах использовать не специализированные микроконтроллеры, а PC-совместимые контроллеры. Это требование, конечно, не является императивным, так как имеется достаточное количество примеров, когда наиболее эффективны именно специализированные контроллеры.

Например, в задачах цифровой обработки сигналов используются специальные DSP-процессоры. Но при этом следует понимать, что обслуживание узкоспециализированного программного обеспечения часто накладно.

- При разработке микропрограмм для локальных контроллеров тщательно обосновывать выбор контроллеров, исходя из перспективности той или иной микроконтроллерной платформы. Причём, основным аспектом является не экономический, так как стоимость современных микроконтроллеров стремительно снижается, а системный. Использование устаревающих контроллеров нецелесообразно. Кросс-средства программирования для различных контроллеров существенно отличаются с точки зрения универсальности, стандартизованности и ориентированности на интеграцию в состав более сложных иерархических систем.

Библиотеки программ, созданные для микроконтроллеров, с трудом поддаются повторному использованию и передаче другим пользователям, часто оказывается проще создать программы заново. К сожалению, объектно-ориентированный подход здесь применим далеко не всегда, так как влечёт резкое увеличение объёмов кодов.

- Альтернативой традиционному программированию микроконтроллеров, в принципе, является технология Java, предполагающая сетевую загрузку исполняемых программ (апплетов) в контроллеры. Здесь следует отметить, что это не вполне безопасно и не всегда надёжно.

Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) в 1993 г. Утвердила стандарт IEC 61131 часть 3 (IEC 61131-3). Этот международный стандарт входит в группу IEC 61131 стандартов, которые охватывают различные аспекты использования программируемых логических контроллеров (ПЛК - PLC).

Назначение IEC 61131-3 - стандартизация существующих языков ПЛК. Стандарт IEC 61131-3 оказался настолько актуален, что ждать его адаптации не хватило сил: функции поддержки, и внедрение стандарта на рынке взяла на себя независимая организация PLCOpen, состоящая из производителей и пользователей программного обеспечения (ПО), ориентированного на IEC 61131- 3. В результате деятельности PLCOpen на рынке ПО появилась серия сертифицированных средств программирования ПЛК, - средств, которые достаточно широко и небезуспешно внедряются в промышленности. В целом, это воспринимается как очередной прогрессивный шаг в рамках концепции "открытых систем". Стандарт IEC 61131-3 описывает синтаксис и семантику пяти языков программирования ПЛК. Эти языки не являются чем-то совершенно новым, а лишь обобщают то, что широко известно в области автоматизации промышленных объектов:

- SFC (Sequential Function Chart) - графический язык, используемый для описания алгоритма в виде набора связанных пар: шаг (step) и переход (transition). Шаг представляет собой набор операций над переменными. Переход - набор логических условных выражений, определяющий передачу управления к следующей паре шаг-переход. По внешнему виду описание на языке SFC напоминает хорошо известные логические блок - схемы алгоритмов. SFC имеет возможность распараллеливания алгоритма. Однако, SFC не имеет средств для описания шагов и переходов, которые могут быть выражены только средствами других языков стандарта (например, условными операторами Pascal - язык ST). Поэтому любая реализация языка SFC - это просто начальное представление логики алгоритма.

- LD (Ladder Diagram) - графический язык программирования, являющийся стандартизованным вариантом класса языков релейно-контактных схем. Логические выражения на этом языке описываются в виде реле, которые широко применялись в области автоматизации в 60-х годах, дополненный дискретными устройствами: таймерами, счетчиками и т.п.

- FBD (Functional Block Diagram) - графический язык по своей сути похожий на LD. Вместо реле в этом языке используются функциональные блоки, функциональное назначение которых гораздо шире. Сюда входят такие блоки, как ПИД - регулятор, фильтр и т.п. По сути дела, FBD является наиболее естественным способом описания структуры САУ с точки зрения инженера по автоматике. FBD поддерживается многими современными системами проектирования и SCADA-системами.

- ST (Structured Text) - текстовый высокоуровневый язык общего назначения, по синтаксису ориентированный на Паскаль. Фактически, это обычное программирование на языке высокого уровня.

- IL (Instruction List) - текстовый язык низкого уровня. В дополнение к языку ST - это программирование фактически на Ассемблере. Это необходимо в случае разработки драйверов и критических ко времени программ.

В качестве примера рассмотрим решение на языке LD (реализации языков LD и FBD) задачи управления технологическим участком, схема которого приведена ниже.

Многие задачи управления могут быть описаны, как последовательность событий. Управляющая программа должна проверять порядок выполнения событий. Она не только выполняет обычные операции управления, но и учитывает возможные неисправности и критические ситуации.

Рассмотрим простой пример.

Рисунок 5.2 - Технологическое оборудование - конвейер

Оператор нажал кнопку пуска.

- Проверяется наличие заготовки. Если она есть, то процесс продолжается. Если нет - конвейер двигается до появления заготовки.

Заготовка фиксируется зажимом.

- Деталь прессуется.

- Зажим освобождает деталь, и она выходит из-под пресса.

Процесс продолжается, если выбран автоматический (циклический) режим, иначе останавливается. Вот как выглядит блок-схема последовательности описанных выше операций. Разбиение программы на логические блоки

Рисунок 5.3 - Блок схема программы управления конвейером

Для определенности дальнейшего описания, поставим в соответствие каждому сигналу нашего примера Х-образ дискретного ввода и Y-прообраз дискретного вывода:

Таблица 5.1

СИГНАЛИЗАЦИЯ	УПРАВЛЕНИЕ
Кнопка пуска	Х0	Зажимное устройство	Y0
Датчик наличия детали под прессом	Х1	Пресс	Y1
Концевик фиксации заготовки	Х2	Движение конвейера	Y2
Концевик освобождения детали	Х3
Нижний концевик пресса	Х4
Верхний концевик пресса	Х5
Шаг конвейера	Х6
Переключатель режима	Х7
Кнопка останова	Х8

Решение на языке LD

До появления программируемых логических контроллеров (ПЛК) проблемы управления решались с помощью реле и переключателей, жестко соединенных в релейно-контактные схемы. Более 30 лет назад стали искать способ, позволяющий легко и быстро вносить изменения, в логику управления не меняя монтажа. Так появились ПЛК. Разработчика "новой" технологии были хорошо знакомы с решением задач управления с помощью реле и переключателей, поэтому имело смысл имитировать релейно-контактные схемы в созданном специально для ПЛК языке программирования LD. Вот почему программы на LD похожи на релейно-контактные схемы.

На рисунок 5.4 показан пример части программы на LD, реализующей управление по алгоритму, описанному на предыдущей странице.



Рисунок 5.4 - Пример программы на языке LD

Вертикальная линия слева символизирует шину питания, а положение контактов и состояния обмоток реле определяют происходящие действия, которые в релейно-контактных схемах принято называть блокировками. Здесь хорошо просматриваются отдельные цепи контактов, подающие питание на обмотки реле - ступени. Программа на LD, имитирующая релейно-контактную схему, "просматривает" контакты и обмотки каждой ступени слева направо, а сами ступени сверху вниз. Это нормальный порядок действий в LD. Программа на LD в графическом представлении выглядит как ступени своеобразной лестницы, ведущей вниз. Нетрудно видеть, что "контакты реле" (нормально замкнутые и разомкнутые) фактически означают не только сами контакты, но и некоторые логические условия, при выполнении которых на каждой "ступеньке лестницы" происходит некоторое действие. После этого производится переход к следующей ступени вниз.

Говоря о современных инструментальных средствах, следует сразу же отметить важнейшую тенденцию: наиболее перспективными являются интуитивно-понятные разработчику средства визуального проектирования. В любой предметной области, в том числе и в автоматике, визуальные средства предполагают, что проектировщик (или пользователь) не должен писать практически никакого кода программы ни на одном из языков программирования.

Вместо этого он производит размещение тех или иных наглядных графических образов (обычно пиктограмм) на рабочем поле. Эти образы представляют собой отображение некоторых стандартных блоков, алгоритмов, устройств. Соединяя эти образы в соответствии с требуемой структурой, и задавая свойства отдельных компонент, пользователь быстро получает требуемое представление своей системы.

Инструментальные средства разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения

Практически избежать программирования удаётся за счёт объектно-ориентированного характера такой модели, при котором необходимые коды программ уже инкапсулированы в стандартных блоках. То есть программирование заменяется заданием параметров (обычно числовых) в стандартных алгоритмах. Многочисленные преимущества такого подхода очевидны. Более того, большинство современных, в том числе и профессиональных, программных комплексов в различных областях техники, обработки изображений, звука и т.п. созданы именно в этом виде. Сложнейшие, но стандартные процедуры, при этом легко реализуются.

Возникает возможность использования опыта (программного кода) предыдущих разработчиков без его изучения. Фирмы - производители систем автоматизации предоставляют огромные библиотеки таких функций (классов), и создаётся обманчивое впечатление, что программирование вообще не нужно, что кто-то сторонний всё сделает за специалиста по автоматике. Это мнение старательно поддерживается и фирмами-производителями. Но именно здесь заключается и слабая сторона такого подхода. Реально имеются две негативные стороны использования стандартных библиотек функций (классов):

- закрытость исходных кодов (и в смысле недоступности, и в том смысле, что пользователь не заинтересован глубоко разбираться в чужих кодах);

- неоптимальность кодов именно для той конкретной ситуации, в которой находится данный разработчик системы автоматики ("универсальное - значит не оптимальное").

Эти два пункта реально приводят к тому, что пользователь - разработчик автоматической системы не может гарантировать надёжность работы всей системы, так как в неё входят закрытые компоненты, и не может гарантировать оптимальности в смысле быстродействия работы критичных к этому параметру частей системы. Таким образом, чисто визуальные методы программирования ограниченно пригодны в случае хорошо известных задач, не критичных, кроме того, к быстродействию и надёжности всей системы.

Не следует думать, что таких задач мало. Типичной из них является создание некоторых SCADA - систем, то есть таких систем, которые в основном предназначены для диспетчерского отображения разнородной информации, в состав которых входит достаточно ненадёжный элемент: человек-оператор. В таких системах, особенно в случае, когда реальное быстродействие объекта управления гораздо выше быстродействия человека-оператора, последнему отводится лишь роль более или менее пассивного наблюдателя, принимающего лишь стратегические решения. И практика показывает, что для подобных систем применение визуальных средств и объектно-ориентированных подходов в программировании эффективно. В качестве примера можно привести систему DigiVis или WIN CC. Наряду со специализированными визуальными средствами программирования, широко распространено и применение таких визуальных сред, как Delphi или Builder от фирмы Borland, Visual C++ от Microsoft и т.п. Множество подобных средств стремительно растёт, привлекая всё новые и новые подходы в программировании, исчерпывающий их обзор на сегодняшний день практически невозможен.

Чтобы добиться абсолютно предсказуемого поведения программного обеспечения с учётом работы в реальном времени разработчик автоматических систем всё же вынужден в ряде случаев создавать собственное программное обеспечение. Наиболее целесообразный подход здесь следующий:

- по мере возможности пользоваться языками высокого уровня, позволяющими быстро создавать и отлаживать программное обеспечение;

- и лишь в явных случаях нехватки быстродействия или надёжности использовать программирование на Ассемблере.

Именно такой подход позволяет инженеру в области автоматики решить сразу две задачи:

- обеспечить реальную возможность передачи исходных кодов программ другим разработчикам, в том числе, и при смене вычислительной платформы;

- добиться существенной экономии времени разработки программного обеспечения. Известно, что наиболее "расточительно" в этом смысле программирование на языке низкого уровня - Ассемблере.

От правильного выбора программного продукта, удовлетворяющего требованиям сопровождения, часто зависит судьба всей системы автоматики и эффективности вложения средств.

5.4 Технология ОРС

На современных производственных предприятиях, наряду с увеличением степени автоматизации технологических процессов, увеличивается количество электронных систем обработки данных верхнего уровня иерархии.

В системах управления технологическими процессами сегодня широко применяются многочисленные программные решения (например, SCADA) самых разных производителей, причем работа этих программных систем базируется на постоянном обмене данными с компонентами системы автоматизации (контроллерами, модулями УСО и т.д.). Возможность такого взаимодействия обеспечивается производителями этих программных решений путем самостоятельной разработки ими драйверов, которые интегрируются в вышеназванные программные пакеты. Такой подход, как правило, ведет к следующим проблемам:

- Увеличение затрат: должны разрабатываться отдельные драйверы для каждого поддерживаемого устройства.

- Ограниченная функциональность драйверов: разработчиком драйверов поддерживаются не все функции соответствующего устройства.

- Ограниченные возможности расширения и изменения состава компонент системы автоматизации: вследствие модернизации аппаратной платформы драйвер либо вообще не может больше использоваться, либо может работать нестабильно.

- Конфликты доступа: различные программы не могут одновременно осуществлять доступ к одним и тем же компонентам системы автоматизации, т.к. обращение к данным осуществляется через собственные драйверы, работа одного из которых в каждый момент времени блокирует возможность работы всех остальных.