1.1. Классификация автоматизированных систем управления

1.2. Современная модель автоматизации промышленного предприятия

1.3. Функции и компоненты типового обеспечения АСУТП

1.1. Классификация автоматизированных систем управления

АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом, представляющая человеко-машинную систему, предназначенную для выработки и реализации управления технологическим объектом управления в соответствии с некоторым принятым критерием.

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по регламенту процесса производства. В качестве технологического объекта управления могут рассматриваться: отдельные установки и агрегаты; группы станков, выполняющих набор последовательных операций и образующих единую технологическую линию; отдельные производственные структуры (участок, цех), выполняющие самостоятельные технологические процессы и некоторый процесс производства в целом.

В зависимости от решаемых задач АСУ ТП может иметь различную структуру; выделяют 3 класса АСУ ТП: локальные, централизованные и распределенные системы управления.

Локальная система управления используется для управления технологически независимым объектом с компактно расположенным оборудованием, и несложными задачами управления. Примеры локальных систем: системы стабилизации, следящие, программного управления. Основные элементы локальной системы: ТОЭ, датчики, исполнительное устройство и локальный регулятор. В системе обычно предусматриваются элементы ручного управления и связи с оператором. Рис.1

В зависимости от реализации регулятора локальные системы могут быть как аналоговыми так и цифровыми.

Рис.1. Типовая структура локальной системы управления

Централизованная система управления используется для управления сосредоточенным объектом со сложными или разнообразными функциями управления или большим количеством сигналов «вход-выход». В системе есть два уровня: на нижнем уровне находятся объекты управления с датчиками и исполнительными устройствами на верхнем управляющая вычислительная машина (УВМ) и устройство сопряжения с объектом (УСО). УСО преобразует различные по виду сигналы от датчиков (входные сигналы), в цифровой код в формате, определяемом конкретной УВМ. Сформированные УВМ в виде цифрового кода сигналы управляющих воздействий для исполнительных устройств (выходные сигналы) УСО преобразует к одному из стандартных видов. Для контроля над процессом предусмотрен пульт связи с оператором. Все процессы обработки сигналов датчиков и формирование управляющих сигналов для всех контуров управления последовательно исполняет одна и та же УВМ. Она также обеспечивает интерфейс с оператором.

Централизованная система имеет два основных недостатка: малая надежность и низкое быстродействие. Система становиться неработоспособной при отказе УВМ или УСО. При большом количестве датчиков и контуров управления существенно увеличивается время основного цикла управляющей программы УВМ. Для устранения этих недостатков применяют следующие решения.

Для повышения надежности осуществляется: а) Дублирование основных элементов системы управления: УВМ и УСО; б) Применение супервизорной структуры.

Для повышения быстродействия передают часть функций управления на более низкий уровень: а) Применение супервизорной структуры. б) Переход к распределенной многоуровневой системе управления. Рис.2.

В супервизорной структуре с верхнего уровня на нижний передаются в цифровом виде значения уставок для регулятора и команды для локального контроллера, а с нижнего уровня на верхний параметры объекта, также в цифровом виде. Непосредственное управление в контуре выполняет локальный контроллер.

Рис. 2. Типовая структура централизованной системы управления

1.2. Современная модель автоматизации промышленного предприятия

Распределенная система управления (РСУ) содержит несколько уровней. Модель АСУП предполагает, что САУ различного уровня интегрированы в единую систему, охватывающую весь процесс жизнедеятельности предприятия. Модель имеет форму пирамиды. Опишем ее, начиная с основания. Иерархическая структура и типовая схема многоуровневой РСУ приведена ниже на рис 3 и 4.

Рис. 3. Иерархическая структура распределенной системы управления

a) Самый нижний уровень (Field, полевой) включает ТОУ, управляемый узлом на базе PLC или Prom PC и непосредственно связанные с ним элементы: датчики и исполнительные устройства. На этом уровне обмен информацией производится по

AS – интерфейсу. Название AS происходит от слов датчик (Sensor) и исполнительное устройство (Activator).

b) Следующий уровень (PLC, ПЛК) объединяет устройства локального управления и интерфейсы между ними. Этими устройствами являются локальные регуляторы и программируемые логические контроллеры (ПЛК).

c) На следующем уровне (участка (cell)) расположена (SCADA) – система диспетчерского управления и сбора данных.

Рис. 4. Типовая структура распределенной системы управления

SCADA системы могут быть 3 видов.

1. DCS – распределенная система управления, обеспечивающая управление в масштабе установки или небольшого цеха. (Siemens, ABB).

Основной элемент такой системы – это функциональный узел на основе PLC или Prom PC.Узлы объединены в разнородную сеть по различным интерфейсам (основной протокол - каждый с каждым). Рис.5.

Рис. 5. Структура SCADA системы типа DCS

Каждый узел выполняет некоторый набор задач из следующего списка:

а) сбор и первичная обработка данных участка;

б) управление частью ИУ участка;

в) связь с другими узлами/системами

г) пользовательский интерфейс и отображение данных участка;

2. Классическая SCADA: ее особенности:

а) однородная промышленная сеть;

б) клиент-серверная архитектура;

в) более четкая специализация узлов;

г) более развитой человеко-машинный интерфейс (HMI);

д) фильтрация и архивация текущих данных.

Дополнительно SCADA при соответствующем установленном программном обеспечении (ПО) может решать задачи прогноза и/или оптимизации.

Рис.6 Структура SCADA системы с выделенным сервером.

3. Batch Control. Распределенная система управления, выполненная в соответствии с требованиями стандарта 968.01 ISA.

Ее особенность это использование последовательного пакетного управления, ориентированного на регулирование системы, состоящей из ряда последовательных связанных участков с обеспечением качества и оптимизацией выхода конечного продукта.

Предполагается особая модель объекта управления, используемая в таких областях, как: нефтехимия, фармация, пищевая, строительная промышленность.

d) Уровень организации производства, цеха (production management). На этом уровне функционирует исполнительная система производства MES. Это промежуточный слой, который служит для организации технологической подготовки производства. На этом и последующих уровнях расположены, объединенные в сеть промышленные РС и АРМы специалистов. На этом уровне решаются задачи:

1. планирование и контроль последовательных операций любых ТП.
2. управление производственными (станки) и людскими (персонал) ресурсами в рамках нескольких ТП;
3. распределение работ по заказам;
4. техническое обслуживание оборудования;
5. управление качеством.

e) АСУ Предприятием –это уровень стратегического планирования.

На этом уровне решаются различные классы задач для этого существуют отдельные подсистемы. Вот основные типы подсистем и задач на этом уровне:

MRP – планирование ресурсов на уровне цеха. В основе MRP лежит BOM (Bill of Material). В MRP II добавляется управление складскими запасами и производственными мощностями, в EAM добавляется управление основными фондами.

ERP I – планирование ресурсов предприятия в целом на основе бизнес-планов. Задачи:

а) управление снабжением и сбытом;

б) выпуск всех видов продукции и распределение заказов;

в) контроль за материальным и финансовым потоками.

ERP II добавляются взаимоотношения с поставщиками, дилерами, реклама и PR.

IRP – интеллектуальное планирование ресурсов на основе создания динамической модели предприятия.

Зачем это надо. Стандарты ISO-9000

Одно из основных условий выхода продукции предприятия на международный рынок – его сертификация по стандартам ISO-9000. Во всемирной торговой организации (ВТО) обязательным требованием является, что или поставщик имеет сертификат ISO-9000, или продажа идет через посредника с ISO-9000. Важнейшие требования, входящие в ISO-9000: идентифицируемость продукта, наблюдаемость и управляемость ТП и материальных потоков. Сертифицированные интегрированные системы АСУ ТП, объединяющие MRP+MES+SCADA эти требования обеспечивают.

Кроме этих уровней АСУ ТП, и программно-аппаратных комплексов, их обеспечивающих, интегрированная система должна сопрягаться еще и с системами САПР: (CAD/CAM/CAE/PDM), системами описания бизнес-процессов, системами программирования PLC и многими другими.

В наше время даже крупнейшие интегрированные системы R3, BAAN Oracle Application не решают всего комплекса задач.

1.3. Функции и компоненты типового обеспечения АСУТП

Функции типового обеспечения АСУТП делятся на управляющие, информационные и вспомогательные.

Информационные функции (мониторинг) включают в себя сбор значений переменных процесса, их хранение, отображение в подходящей для человека форме и передача на следующие уровни системы.

Управляющие функции – это выработка и реализация прямых или опосредованных воздействий на параметры объекта управления: регулирование, логическое управление, оптимальное управление режимами или стадиями процесса, адаптивное управление объектом в целом.

Вспомогательные функции сводятся главным образом к диагностике функционирования технических и программных средств АСУТП и поддержанию их в рабочем состоянии. Информационной основой для каждого процесса реального времени (RT) поддерживающего АСУТП, служит база данных процесса, имеющая специфическую структуру

В целом АСУТП включает в себя техническое, программное, информационное обеспечение как основу системы и организационное обеспечение, регламентирующее участие персонала в работе АСУТП.

Техническое обеспечение АСУТП осуществляется комплексом технических средств (КТС), содержащем устройства получения информации о параметрах технологического процесса и состоянии технологического оборудования; формирования и передачи управляющей информации; представления информации персоналу и на другие уровни АСУТП.

Программное обеспечение включает в себя общее программное обеспечение (ПО) в комплекте со средствами вычислительной техники (ВТ) и специальную совокупность программ, реализующих функционирование системы данного типа и конкретный набор функций.

Информационное обеспечение – это единая система кодирования информации и стандартные интерфейсы между элементами системы.

Типовым техническим решением для построения АСУТП является программно технический комплекс (ПТК), предназначенный для автоматизации технологических процессов определенного профиля. На основе ПТК разрабатываются типовые готовые решения, которые требуют привязки к объекту автоматизации, реконфигурации и настройки оборудования комплекса под конкретный объект. Основные требования, предъявляемые к ПТК и решениям на их основе: стандартизация, типизация, открытость и масштабируемость.