Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.1. Первые распределённые системы
Появление простейших пневматических средств управления технологическими процессами, заменивших ручные, было первым качественным скачком в технологиях автоматизации. Использование сжатого воздуха вполне подходило для пожаро- и взрывоопасных сред и обеспечивало высокую стойкость в агрессивных средах и в условиях сильных электромагнитных воздействий.
Развивающиеся математические теории уже обеспечивали достаточно эффективные стратегии автоматического регулирования. Но их применение требовало построения адекватной «вычислительной среды».
Так как именно пневматическое оборудование более всего подходило для применения в опасных средах, была создана элементная база (мембрана, сильфон, сопло-заслонка, и др.), на основе которой компоновались целые семейства пневматических функциональных блоков, ориентированных на построение необходимой «вычислительной среды» для различных задач управления на цеховой площадке.
Начался длительный период стабильности, который способствовал накоплению богатейшего опыта решения задач автоматического управления на основе математических методов и стандартизированной системы функциональных блоков преобразования сигналов. Отметим, что, несмотря на многие ограничения, свойственные пневмоавтоматике, она и в настоящее время применяется в некоторых технологиях химической промышленности.
Несколько забегая вперёд, заметим, что многие более поздние технологии автоматизации (от Ремиконта 80-х годов [20] до ультрасовременного Fieldbus Foundation) во многом являлись переложением тех старых методов на новую «элементную базу». В современных терминах мы определили бы это как портирование виртуальной машины функциональных блок-схем на микропроцессорную платформу (в случае Ремиконта) или на масштабируемую сетевую архитектуру интеллектуальных устройств (в случае Fieldbus Foundation). Причём, последняя, как будет показано далее, во многом реализует новую «вычислительную среду», адекватную требованиям высокой готовности для реализации хорошо отработанных старых решений, так и для перспективных новых стратегий управления при решении мало изменившихся (как и сами технологические процессы) со времён пневмоавтоматики задач автоматизации цеховой площадки.
Устройства пневмоавтоматики соединялись пневмопроводами и размещались там, где в них была необходимость исходя из соображений минимизации расстояния передачи сигнала. Типовая рассредоточенная по производственной площади пневмо-система вполне напоминала то, что сегодня мы называем полевой (field-центрической) архитектурой.
В соответствии с требованиями технологического процесса в отношении наблюдаемого параметра V, система относилась к одному из 3-х типовых вариантов:
Системы стабилизации широко применялись в непрерывных стационарных процессах; системы программного регулирования - при автоматизации периодических процессов с операциями пуска и останова. Следящие системы применялись для регулирования соотношения двух реагентов на входе реактора, расходов топлива и воздуха в процессах горения, расходов пара и воды в вакуум-сушильных установках, при управлении конвейерами в процессах смешения сыпучих сред и т.п.
Кроме описанных систем регулирования применялись также системы логического управления (для дискретного процесса) и системы аварийной защиты, обеспечивающие безопасность объекта при выходе наблюдаемых координат процесса за допустимые пределы или при отказах оборудования. Алгоритм базировался на сравнении контролируемого параметра с уставкой и выводом результата на устройство сигнализации и/или исполнительный механизм (с целью отключения).
Как уже отмечалось, первоначально все эти устройства пневмоавтоматики устанавливались непосредственно на производственном участке, представляя настоящую йеШ-центрическую систему. Однако (даже в одноконтурной САР) система пневмопроводов часто обретала достаточно сложную конфигурацию, и, кроме того, из-за своей длины приводила к неприемлемым задержкам реакции САР.
1.2. Централизация вычислительной среды растущих систем
Чтобы избавиться от сложных соединений на цеховой площадке, стали применять блочные пневматические приборы для щитового (panel-based) монтажа. В этом случае систему управления делили на блоки, содержащие однотипные функциональные модули (например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п.). Большая часть этих блоков устанавливалась в диспетчерских, а воспринимающие и исполняющие устройства оставались размещённым на объекте и подключались к радиальной системе пневмопроводов.
Так после долгого периода управления технологическим процессом «на месте» (field-based) в результате нескольких быстрых изменений появились централизованные диспетчерские с щитовым управлением.
Блочная компоновка с централизованным размещением вычислителей упрощала проектирование, монтаж и эксплуатацию крупных пневмосистем со сложной структурой сигнальных связей. Позднее этот принцип был перенесён в крейтовые микропроцессорные системы (со сбором и обработкой на базе унифицированных многоканальных модулей сопряжения).
Хотя такая централизация «вычислительной среды» в диспетчерской и помогла добиться упрощения пневмосети, проблема задержки сигналов, связанная с большой протяженностью пневмопроводов, осталась.
Вследствие этого пневмоавтоматика была распространена в основном на достаточно инерционных объектах с постоянными времени не менее 10 - 30 с и максимальной длиной пневмо коммуникаций не более 300 м. Кроме этого недостатка, на пневмоавтоматике было сложно построить высокоточную «вычислительную среду», некоторые элементы (например, мембраны) имели малый срок службы и быстро изменяли свои характеристики, механические элементы были неустойчивы к вибрации, а вся система имела высокую энергоёмкость.
С появлением полупроводниковых устройств на смену пневматическим приборам и пневмопроводам пришли специализированные электронные контрольно-измерительные приборы (КИП) и электрокабельные трассы. Проблема скорости реакции была решена. Во всём остальном это был перенос старых подходов на новую элементную базу.
В 70-х — 80-х годах с появлением процессоров панели специализированных КИП начали уступать дорогу универсальным программируемым микропроцессорным системам, или, в современной терминологии, программируемым логическим контроллерам (ПЛК, РLС - Ргоgrammable Logic Соntroller).
Важно заметить, что в этот момент появилось новое распределение труда, предполагающее услуги программиста. Но поскольку реализация концепции технологического программирования была ещё впереди, то производственники («КИПовцы») весьма осторожно подходили к применению программируемых устройств, так как упоминание о программировании ассоциировалось с вторжением в их вотчину программистов, что грозило потерей контроля над системой, управление которой на уровне цеховой площадки всегда требовало «КИПовского» практического опыта автоматизации.
Принципиальное решение проблемы разделения труда появилось в 80-х годах, когда разработчики (ставшего самым популярным впоследствии) отечественного контроллера Ремиконт [20] посадили высококвалифицированных программистов за написание программ, превративших Ремиконт в виртуальную машину, способную исполнять функциональные блок-схемы, разработанные в эпоху пневмоавтоматики. КИПовцы (уже без участия программиста) могли использовать (переносить) весь свой опыт без посредника, соединяя в привычные (но уже виртуальные) блок-схемы алгоблоки библиотеки Ремиконт, в точности повторявшие стандартные устройства пневмоавтоматики. Такое решение стало индустриальным стандартом технологического программирования, позволившим решить проблему разделения труда в пользу полной автономности производственников в контроле над технологическим процессом. Вместе с тем, возможность применения готовых решений и привычного языка их описания позволило существенно сократить затраты при переходе от пневмоавтоматики на ПЛК. Всё это привело к распространению контроллеров Ремиконт в индустриальных масштабах.
Итак, переход на ПЛК был новой технологией, реализующей старые подходы на более эффективной «элементной базе».
Устройства с электрическим интерфейсом могли применяться одновременно с пневматическими в комбинированных системах в качестве оконечных элементов или управляющих вычислительных комплексов. Роль «моста» выполняли преобразователи давления в ток 4 — 20 мА (и наоборот). В 1961 году интерфейс 4 - 20 мА на напряжение 15 В был принят в качестве стандарта для соединения устройств цеховой автоматики. Интерфейс обеспечивал высокую помехозащищённость, позволявшую применять его на больших расстояниях, предусматривал возможность питания устройств от информационного провода (15 В), мог использоваться в пожаро- и взрывоопасных производствах и позволял отличать заведомо недостоверное значение сигнала (в случае КЗ и обрыва). Это способствовало его повсеместному распространению по мере перехода от пневмоавтоматики к электронным системам.
Типовая структура системы с сигнальным сопряжением на базе интерфейса 4 — 20 мА и размещённых в операторских пультах традиционных ПЛК, представлена на рис. 2-2.
Для преобразования в помехоустойчивый сигнал 4 — 20 мА электрических сигналов других стандартов (например, сигналы низкого уровня термопар) использовались электронные нормализаторы. Обычно эти устройства кроме функции преобразования осуществляли линеаризацию характеристики датчика и компенсацию смещения (для термопар - поправку на температуру холодного спая). Номенклатура таких нормализаторов у контроллеров Ремиконт насчитывает около 10 наименований блоков. Обычно блоки были рассчитаны на 1 - 2 канала и ориентированы на размещение «по-месту». От возможности размещения нормализаторов непосредственно вблизи первичных устройств КИП зависела надёжность передачи сигналов. При отсутствии такой возможности по кабельным трассам передавали «сырой» сигнал (предпринимая всевозможные меры к его защите), а вместо малоканальных нормализаторов использовали многоканальные модули УСО, спроектированные для ввода сигналов данного типа.
1. Расходомер 3. Привод вентиля
2. Датчик положения штока 4. Датчик уровня
Рис.2-2. Традиционная централизованная система 4-20 мА
Типовая конфигурация ПЛК, входившего в представленную систему была следующей:
— крейтовое исполнение, ориентированное на модульную компоновку и обработку большого числа каналов ввода-вывода;
- один модуль центрального процессора (ЦП), который несёт всю вычислительную нагрузку в системе и осуществляет управление периферийными модулями, подключёнными к параллельной шине (мастером которой он является);
— периферийные модули — (в основном) модули УСО; каждый модуль рассчитан на ввод (вывод) сравнительно большого числа сигналов одного из существующих стандартов (ток, напряжения низкого уровня термопар, сигналы термометров сопротивлений, «сухой контакт» и др.); модули УСО обычно не являются интеллектуальными, содержат такие элементы как АЦП, ЦАП, мультиплексоры, усилители, порты дискретного ввода-вывода и др., возлагая управление всем этим на ЦП через регистры, отображённые в его адресное пространство.
Такие контроллеры обычно монтировались в шкафы автоматики в машинных залах диспетчерских, куда стягивались сотни - тысячи сигнальных кабелей. Системы на базе крейтовых ПЛК полностью воспроизводили структуру блочно-щитовой пневмоавтоматики, упрощая процесс модернизации существовавших систем.
При этом высокая стоимость микроэлектронной элементной базы таких ПЛК на ранних этапах их внедрения (а также стоимость других общесистемных элементов) относилась к внушительному числу обрабатываемых каналов, что в итоге обеспечивало экономическую привлекательность таких решений по объёму капиталовложений на 1 условный канал. Экономия капитальных затрат в случае модернизации системы с «наследованием» готовых кабельных трасс была весьма значительной.
Однако всепроникающее распространение сетевых технологий на фоне устойчивого снижения цены на изделия из «кремния» и повышения цены на «медь» создало предпосылки очередного периода бурных изменений в технологиях автоматизации.
1.3. Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки
Микроконтроллеры
Значительные изменения коснулись «микромира» - внутренней структуры ПЛК и связаны с появлением интеллектуальных модулей УСО на основе микроконтроллеров [10, 11], позволивших резко повысить уровень готовности ПЛК за счёт сокращения числа элементов (и проводников) и разделения задач.
Такое решение позволило разгрузить ЦП, перенеся задачи, связанные с управлением периферией, а также нормализацией и линеаризацией сигналов, на уровень интеллектуального модуля УСО. Это привело к резкому сокращению количества операций между ЦП и модулем УСО и сокращению «рассыпной» электроники во всех модулях.
Во многих случаях оказалось, что пропускной способности стандартных последовательных шин вполне достаточно для обеспечения передачи готовых баз данных между ЦП и модулями УСО. Переход от параллельных шин к последовательным позволял резко упростить аппаратуру и сократить количество элементов и проводников, повышая надёжность устройства. Унификация содержания взаимодействия для различных модулей привела к новой модели контроллера — цифровой сети интеллектуальных модулей УСО на базе последовательной шины с поддержкой распространённых протоколов, обеспечивающих достоверность передачи информации.
С точки зрения пользователя типовой модуль интеллектуального УСО представлял собой специализированный структурно-конфигурируемый контроллер с фиксированным ПО. Такой модуль содержал соответствующий его назначению фиксированный разработчиком («джентльменский») набор программных функциональных блоков обработки сигнала. Обычно параметры работы этих блоков (а иногда и связи между ними) можно было задавать в соответствии с требованиями задачи. Например, можно было загрузить новую градуировочную таблицу датчика для функционального блока линеаризации, включить фильтрацию входного сигнала и задать её параметры, установить период ши-ротно-импульсной модуляции блока формирования импульсного управления.
Это стало началом возврата к уже знакомым распределённым системам на новой элементной базе. Однако это было лишь локальным распределением (вычислительной) нагрузки и не позволяло расширить границу целостной информационной «видимости» системы до объекта. Однако уже следующий скачок технологии приводил к ожидаемому результату.
Полевые шины
Наиболее значительные преимущества распределённой системы были связаны с выходом внутриконтроллерной последовательной магистрали в «макромир» - с внедрением стандартов на полевые шины, позволившие заменить жгуты 4 — 20 мА одним многоточечным цифровым интерфейсом. Это позволило пространственно «распределить» контроллер по всей цеховой площадке с установкой У СО непосредственно «по-месту». Соответствующая структура представлена на рис. 2-3.
В такой схеме граница информационной «видимости» системы расширяется до объекта, существенно сокращаются ненадёжные элементы (в частности, кабели, клеммники), что обеспечивает повышение уровня готовности системы.
Отметим, что большая часть современных систем автоматики имеют структуру, соответствующую рассмотренным вариантам «Традиционная централизованная система 4 - 20 мА» (рис. 2-2) или «Распределённая система интеллектуальных УСО» (рис. 2-3) с тенденцией перехода от первого ко второму. Этому соответствует и номенклатура устройств, поставляемых ведущими производителями компонентов для АСУТП.
Однако эта технология создала новые организационные проблемы. С ориентацией на интеграцию в общезаводские системы и с распространением SСАDА-технологий (см. п. 3.6) финансовая инициатива модернизации АСУТП стала концентрироваться в руках служб АСУ. Во многих случаях решение задач АСУ осуществлялось комплексной разработкой системы и закупкой, в том числе и контроллерного оборудования, которое во многих случаях рассматривалось как прозрачный интерфейс между SCADA и объектом. Соответственно, инициатива применения (благодаря доступности применения и в соответствии с фактором принадлежности оборудования) переходила в руки служб АСУ, не имеющих, однако, непосредственного отношения к задачам реальной цеховой автоматики. Это очередной раз создавало проблему двоевластия на цеховой площадке и опять грозило потерей контроля над процессом.
1. ИУСО расходомера 2. ИУСО датчика положения штока
3. ИУСО привода 4. ИУСО датчика уровня
Рис. 2-3. Распределенная информационная система интеллектуальных УСО (ИУСО)
24
В настоящее время наибольшие перспективы модернизации АСУТП связывают с интеллектуальным оборудованием, имеющим встроенный контроллер, и возможностью делегирования на уровень интеллектуального оборудования части инициативы по управлению процессом. Так структура, предложенная стандартом Foundation Fieldbus (FF), основана на поддержке функций распределённого управления интеллектуальными FF-узлами. При этом РР-узлы являются не свободно-программируемыми контроллерами, а структурно-конфигурируемыми интеллектуальными устройствами, поддерживающими стандартизированный набор функциональных блоков, ориентированный на типовые задачи цеховой автоматики. Структура позволяет сконфигурировать произвольную стратегию управления технологическим процессом на базе функциональных блоков, исполняемых в РР-узлах. Реализацию произвольной структуры связей между функциональными блоками берёт на себя цифровая шина, обеспечивающая необходимые стратегии взаимодействия интеллектуальных узлов.
При этом за освобождающимися ресурсами верхнего уровня АСУТП закрепляются диспетчерские, супервизорные функции и другие функции, соответствующие смыслу понятия «верхний уровень».
Кроме уже названных преимуществ распределённого ввода-вывода и обработки, передача функций управления полевым устройствам позволяет сократить количество необходимого оборудования управления и ввода-вывода, включая модули сопряжения, конструктивы для их установки, источники питания.
Эта схема наряду с сохранением стандартного программного интерфейса явно разграничивает сферы ответственности между службами КИПиА и АСУ, разделяя (физически и логически) систему на две части с разным типом задач (верхний уровень — задачи АСУ, нижний уровень - задачи КИПиА). Такой подход, на наш взгляд окончательно опровергает представление о конце века служб КИПиА, имеющее некоторое распространение.
Подводя итог обзора этапов развития технологий цеховой автоматизации, отметим, что последняя из рассмотренных структур воспроизводит исходные системы пневмоавтоматики на базе сетей интеллектуальный устройств, обеспечивая адекватность типовым задачам цеховой автоматики (в техническом и в организационном аспекте) и достигая исключительно высокой готовности и снижения интегральной стоимости владения системой.
Приступим к обзору и анализу решений, применяемых в современных технологиях построения АСУТП.
Вопросы для самоконтроля
5. Сформулируйте типовые задачи, решаемые системами цеховой автоматизации.