Интегрированная технология построения АСУТП на основе нового поколения технических и программных средств семейства СМ1820
д.т.н. Г.А. Егоров,
В.И. Глухов, А.А. Деменёв
Аннотация
Приведены технические характеристики управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ (УВК СМ ЭВМ) нового поколения, включая широкий спектр технических и программных средств. Реализация УВК СМ ЭВМ нового поколения направлена на создание отечественной технологической базы автоматизации управления и контроля объектами различной сложности и назначения в реальном масштабе времени.
Современные АСУТП строятся в виде иерархической многоуровневой структуры на базе современных технических и программных средств, реализующих основные информационные и управляющие функции. В типовой структуре АСУТП выделяются следующие уровни:
- уровень датчиков, исполнительных механизмов и аппаратов, интеллектуальных датчиков, микропроцессорных терминалов и других измерительных средств;
- уровень промышленных контроллеров, обеспечивающих сбор и предварительную обработку первичной информации, а также выдачу управляющих сигналов и команд на исполнительные механизмы;
- уровень центральных вычислительных ресурсов, включая серверы и автоматизированные рабочие места, реализующих функции центра управления информационно-технологическими процессами.
Функции современных АСУТП реализуются с помощью комплекса технических и программных средств, представляющих собой распределенную компьютерную систему на базе современных информационных технологий, а также сетевых и каналообразующих ресурсов. Основные функции АСУТП включают:
- сбор первичной информации о параметрах технологических процессов и состоянии оборудования с привязкой по времени в соответствии с условиями и требованиями задач технологического управления;
- обработку информации в темпе протекания технологических процессов и процедур автоматизации с целью предоставления операторскому и другому управленческому персоналу оперативной, учетной и аналитической информации в текстовой, видеографической и аудио формах согласно алгоритмам и сценариям задач технологического управления;
- хранение и архивирование информационных массивов первичной, результирующей и другой управляющей информации в интересах текущих управленческих процессов реального времени, а также для последующего использования в интересах ретроспективного анализа;
- передачу информационного трафика в пределах производственной территории объекта управления между элементами и устройствами технического комплекса АСУТП, включая датчики и измерительные устройства, вычислительные устройства и АРМ персонала в соответствии со стандартными коммуникационными протоколами;
- организацию цифрового информационного канала удаленной связи со службами управления и другими системами автоматизации верхнего уровня для выполнения соответствующих управленческих задач с обеспечением требований по охране и защите информации.
Для выполнения задач автоматизации технологических процессов в соответствии с требованиями технологических задач управления комплекс программно-технических средств АСУТП должен иметь следующие виды ресурсов автоматизации:
- датчики, счетчики, измерительные устройства, исполнительные аппараты и механизмы, предназначенные для съема первичной информации о параметрах технологических процессов и состоянии технологического оборудования, а также для реализации управляющих воздействий и команд;
- быстродействующие вычислительные ресурсы (промышленные контроллеры), реализующие процедуры опроса и взаимодействия с датчиками, измерительными устройствами и исполнительными аппаратами в реальном масштабе времени с циклами опроса порядка 1 - 10 мс;
- вычислительные ресурсы общего назначения с развитыми графическими возможностями и объемными средствами хранения информации для взаимодействия с управляющим персоналом, а также с системами автоматизации верхнего уровня;
- коммуникационные средства, обеспечивающие передачу информации между вычислительными средствами и другими устройствами комплекса АСУТП в соответствии с требованиями по быстродействию и необходимыми объемами трафика в пределах территории объекта управления и за ее пределами для связи с внешними системами автоматизации верхнего уровня.
Архитектура АСУТП, как взаимосвязь компонентов структуры системы, должна строиться с учетом следующих требований и решений:
· Модульный принцип построения технических и программных средств, прикладного и технологического программного обеспечения с использованием лучших образцов отечественных и зарубежных продуктов.
· Комплекс технических программных средств (КТПС) АСУТП должен строиться на основе информационных технологий и продуктов, отвечающих общепринятым международным стандартам, и иметь открытую масштабируемую архитектуру, с расчетом наращивания функциональных возможностей и модернизации.
· КТПС должен строиться в виде совместимого по интерфейсам, протоколам и информационным технологиям взаимоувязанного комплекса технических и программных средств, а также сетевых и каналообразующих ресурсов. КТПС должен соответствовать общим требованиям и принципам открытости, мобильности и масштабируемости (расширяемости).
· Все технические средства, предназначаемые к использованию в АСУТП, должны иметь архитектурную и интерфейсную совместимость, обеспечивающую сопряжение и полную функциональную работоспособность без дополнительной доработки и адаптации для работы в рамках системы.
· Функциональная и территориальная распределенность (децентрализация) компонентов системы, при которой выполнение функций контроля и управления отдельной единицей оборудования в минимальной степени должно зависеть от состояния других компонентов системы, что существенно повышает надежность и живучесть системы.
· АСУТП должна строиться на основе взаимосвязи функций автоматизации технологических процессов как единая интегрированная система.
Комплекс задач и функций АСУТП ПС должен быть открыт для расширения в связи с необходимостью:
· модификации технологических процессов;
· внедрения новых и перспективных информационных технологий, а также технологий управления и регулирования;
· расширения состава и объемов обрабатываемой информации.
При построении АСУТП должен обеспечиваться распределенный, децентрализованный принцип организации управления технологическими процессами, предусматривающий:
· обеспечение гарантированного времени реакции системы на внешние события;
· оперативное оповещение верхних уровней с минимальной задержкой в режиме «тревожного сообщения» о выходе технологических режимов за нормальные пределы и об аварийных событиях;
· регистрацию значений параметров протекания аварийных процессов (построение трендов);
· обеспечение самодиагностики и режимов восстановления элементов и подсистем АСУТП на всех контурах управления;
· обеспечение информацией (по значениям параметров и событиям технологических процессов) верхних уровней управления по запросам и инициативно, по установленным расписаниям.
В настоящее время в ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» завершаются работы по разработке интегрированной технологии создания систем контроля и управления на базе управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ нового поколения.
Основу интегрированной технологии составляют новые технические и программные средства, обеспечивающие создание систем контроля и управления объектами различной степени сложности и назначения в реальном времени, при использовании которых минимизируются затраты на разработку изготовление и сопровождение, повышается уровень надежности, отказоустойчивости и качества функционирования.
К основным характеристикам УВК СМ ЭВМ нового поколения необходимо, прежде всего, отнести:
· использование современной отечественной и зарубежной элементной базы;
· широкий набор протоколов сетевого взаимодействия;
· открытость и соответствие международным требованиям и стандартам;
· функционально-модульную структуру для обеспечения удобства конфигурации и резервирования;
· унифицированное конструктивное исполнение;
· повышенные требования к отказоустойчивости;
· обеспечение требуемого времени реакции;
· наличие специальных исполнений для АСУТП опасных производств;
· развитые инструментальные программные средства для автоматизации проектирования и обслуживания АСУТП.
Номенклатура нового поколения УВК СМ ЭВМ включает управляющие вычислительные комплексы в промышленном исполнении, коммуникационный процессор, промышленные контроллеры модульного и моноблочного типов, программно-инструментальные средства.
На рис. 1 представлена общая структура многоуровневой системы контроля и управления (АСУТП), реализуемая на базе нового поколения УВК СМ ЭВМ. Основу нового поколения УВК СМ ЭВМ составляет широкий спектр технических и программных средств, являющихся развитием линий семейства СМ1800 и СМ1820М [1-4].
управляющий вычислительный автоматизация поколение
Рис. 1.
УВК СМ1820 МВУ-500 предназначен для функционирования на верхнем уровне иерархических систем контроля и управления в качестве сетевого сервера, обладающего высокой степенью защиты информации от внешних несанкционированных воздействий.
УВК СМ1820 МВУ-400 предназначен для функционирования на верхнем уровне систем контроля и управления в качестве автоматизированных рабочих мест диспетчера или сетевого сервера.
Коммуникационный процессор СМ1820М КП5 предназначен для концентрации информации, поступающей от средств управления нижнего уровня - контроллеров и интеллектуальных датчиков, входящих в состав распределенных систем контроля и управления, сопряжения разных протоколов связи, промежуточного хранения принятой информации и информационного обмена с верхним уровнем системы.
Промышленный контроллер модульного типа СМ1820М КПД3 предназначен для приема сигналов от датчиков аналогового и дискретного типов, обработки принятой информации, реализации алгоритмов управления и передачи информации на верхние уровни иерархических систем контроля и управления, выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства аналогового и дискретного типов в соответствии с работой собственных программ или по командам, поступающим с верхних уровней системы управления.
В составе систем управления, создаваемых на базе СМ1820М, могут использоваться, наряду с контроллерами модульного типа СМ1820М КПД3, малоканальные промышленные контроллеры моноблочного типа СМ9107, которые реализуют законченное функциональное решение типовых классов задач в системах автоматического регулирования и системах аварийной защиты в рамках одного технологического узла [5].
Новые программные средства включают в свой состав программно-инструментальные средства для автоматизации программирования систем контроля и управления, а также инструментальные средства программирования контроллеров.
Управляющий вычислительный комплекс СМ1820МВУ-500 является универсальной ЭВМ, выполненной в промышленном варианте, и представляет собой стойку для размещения оборудования формата «Евромеханика», имеет повышенную прочность конструкции, защиту от электрических помех в сети электропитания. УВК СМ1820МВУ-500 предназначен для работы на верхнем уровне автоматизированных систем управления, в том числе на особо ответственных объектах с повышенными требованиями безопасности, таких, как атомные электростанции; обеспечивает сбор, хранение и обработку информации, поступающей по локальным сетям от оборудования нижнего уровня, промышленных контроллеров и других устройств, а также передачу им данных, определяемых прикладными программами систем. УВК СМ1820МВУ-500 может использоваться в качестве сетевого сервера для обработки и хранения данных в АСУТП и работать в сетях Еthernet, RS-232. УВК СМ1820МВУ-500 работает под управлением операционных систем Linux или Solaris. В стойке установлен блок вычислительный, представляющий стандартный
19-дюймовый крейт с источником питания типа ATX с объединительной панелью CompactPCI, обеспечивающей взаимодействие процессорного модуля MBC/C и модуля дисковых накопителей.
Основным устройством, определяющим архитектуру УВК СМ1820МВУ-500, является процессорный модуль МВС/С, построенный на базе отечественных микросхем «система на кристалле» 1891ВМ3. Каждая микросхема 1891ВМ3 содержит два универсальных процессора с архитектурой SPARC с внутренним кэшем первого уровня и общим кэшем второго уровня, а также контроллер оперативной памяти и набор периферийных контроллеров RDMA, Ethernet, SCSI-2, EBus, PCI, RS-232 и клавиатуры/мыши. Тактовая частота - 500 МГц.
Процессорный модуль МВС/С представляет собой 4-машинный комплекс, где каждая машина содержит микросхему 1891ВМ3, оперативную память и постоянную память для начальной загрузки. Каждая микросхема 1891ВМ3 имеет доступ только в свой блок оперативной памяти, а взаимодействие с другими микросхемами 1891ВМ3 осуществляется через каналы удаленного доступа. В качестве базового управляющего канала используется локальная сеть Ethernet, образованная соединением встроенных в микросхему контроллеров Ethernet 100.