Материал: Побудова SCADA-системи на базі ПК

Побудова SCADA-системи на базі ПК

Вступ

У розвитку світової промисловості в кінці ХХ століття різко зросла потреба побудови високоефективних і високонадійних автоматизованих систем управління технологічним процесом (АСУТП).

Причини пов'язані з наступними основними факторами:

• збільшеними вимогами до підвищення якості технологічного процесу;

• зростанням дефіциту природних ресурсів;

• появою потужних, компактних, недорогих вимірювальних і керуючих пристроїв, зумовлених прогресом в областях обчислювальної техніки, програмного забезпечення і комунікацій;

• підвищенням ступеня автоматизації і перерозподілом функцій між людиною і апаратурою.

Апаратно-програмний комплекс реалізує збір інформації від об'єкта управління, передачу, перетворення і її обробку, формування керуючих команд і виконання їх на керованому об'єкті; роль людини зводиться до вибору критеріїв оцінки якості протікання процесу та оптимізації управління на їх основі.

В даний час в Україні гостро стоїть питання заміни застарілих автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУТП). Основними причинами є наступні:

) неможливість реалізації на існуючому обладнанні сучасних підходів до автоматизації, обумовлених використанням комп'ютерних технологій, мікропроцесорної техніки та програмних систем;

) застаріла елементна база, вже не випускається промисловістю, з невеликими функціональними можливостями і сервісними функціями;

) модернізація з метою удосконалення таких систем можливо обійдеться дорожче, ніж їх заміна.

Значна кількість підприємств на території України відчувають гостру необхідність в модернізації основного технологічного обладнання та систем контролю і управління. Радикальним рішенням є демонтаж існуючих засобів СКУ та заміна її повномасштабною АСУ ТП (так званий «бульдозерний варіант»). Однак він вимагає крутих одноразових витрат, тривалого простою обладнання, серйозної і тривалої підготовки персоналу, що не завжди можливо в зв'язку з фінансовою ситуацією, а також невеликий термін, що залишився експлуатації застарілого основного технологічного устаткування. Істотне зниження гостроти проблеми може бути досягнуте при впровадженні відносно недорогих локальних нарощуваних систем, які б вписувалися в існуючі системи з поступовим витісненням у міру нарощування її в найбільш слабких місцях («безударний варіант»).

1. Опис АСУ ТП

Перебіг будь-якого технологічного процесу - є певна алгоритмічно задана зміна параметрів процесу в часі та / або в просторі, тобто зміна стану технологічної системи. Отже, будь-який технологічний процес повинен супроводжуватись інформацією про послідовність змін стану процесу в часі та / або просторі.

Інформаційні потоки зароджуються на рівні управління обладнанням: показники випуску продукції, витрат сировини, енергії, води та інше, вимірюються датчиками і обробляються контролерами.

Управління виробничим процесом виконують АСУТП, нижній рівень яких займається безпосереднім управлінням технологічними процесами та обладнанням, а верхній рівень являє собою системи диспетчерського управління (SCADA).

Наступним рівнем є рівень управління виробництвом і планування ресурсів підприємства.

Точна, своєчасна та достовірна інформація на кожному рівні виробництва дозволяє оцінити витрати, якість і конкурентоспроможність-ність продукції, ефективно організувати управління підприємством в сучасних умовах господарювання.

Традиційний підхід виділяє в системах промислової автоматизації чотири рівні:

. Ввід / вивід:

• вимірювальні пристрої - датчики;

• керуючі пристрої - виконавчі механізми.

. Управління вводу / виводу - контролери:

• прості пристрої збору та обробки інформації;

• програмовані логічні контролери;

• промислові комп'ютери.

. Системи управління технологічним процесом - це системи диспетчерського управління та збору даних, що представляють, в загальному випадку головним сервером і мережею автоматизованих робочих місць (АРМ) операторів.

. Системи управління фінансової, господарської та адміністративної діяльності підприємства.

Створення систем промислової автоматизації, в сучасних умовах, не може розглядатися у відриві від проблеми комплексної автоматизації підприємства. Система промислової автоматизації повинна бути складовою частиною інтегрованої корпоративної інформаційної системи (КІС). Тільки при такому підході можна забезпечити інформаційну «прозорість» підприємства та формувати єдину інформаційну мережу підприємства, що приймає стратегічні рішення. Вся інформаційна система працює для забезпечення інформаційної підтримки прийняття цих рішень.

Центральним елементом в будь промисловій системі служить обчислювальний блок, який, в залежності від розв'язуваної задачі, може бути або найпростішою мікроплатою, або багатопроцесорним комплексом із зовнішньою пам'яттю великого об'єму, базою даних і засобами мережевої взаємодії. Обчислювальний блок вирішує два завдання. Перше - це власне програмне управління на основі моделі реального процесу. Друге - організація інтерфейсу з обслуговуючим персоналом. Тут візуалізується стан об'єкта управління шляхом виведення його параметрів і статистичних даних, а також містяться засоби для ручного управління.

В умовах комплексної автоматизації, процес управління виконують програмовані логічні контролери, які обмінюються інформацією з технологічним процесом через свої виходи і входи. Контролери, як правило, об'єднані в локальну мережу для того, щоб була можливість контролювати і керувати кожним з них з Головною ЕОМ.

Однак, як відомо, ніяке виробництво не може обійтися без участі людини. Тільки людина здатна реально проаналізувати поточний стан виробничого процесу. Тільки людина може прийняти рішення при виникненні непередбаченої, неординарної ситуації. Повністю замінити людину комп'ютером неможливо. Тому на сучасних виробництвах створені автоматизовані робочі місця (АРМ) на основі персональних комп'ютерів для супервізорного управління виробництвом. Кожен оператор зі свого робочого місця має доступ до даних, що зберігаються в головній ЕОМ по мережі персональних комп'ютерів, і може як контролювати їх, так і змінювати, тобто управляти технологічним процесом.

На рис. 1 наведено приклад структурної схеми сучасного автоматизованого комплексу розподіленого управління (АКРУ), або, як в подальшому будемо називати, автоматизованої системи управління технологічним процесом на виробництві, де:- датчики та виконавчі механізми;- контролери;- промислові комп'ютери;- сервери баз даних;- АРМи.

У розвитку промислових систем автоматизації в основному розглядаються загальні тенденції комп'ютерної індустрії, однак можна вказати кілька принципових особливостей, які вимагають спеціалізованих рішень.

. Промислові системи функціонують у важких для електронної техніки умовах зовнішнього середовища, тому в порівнянні із звичайними комп'ютерами, вони повинні мати підвищену термо-, вібро-та ударостійкість.

Рис. 1 Приклад АСУ ТП

. Потрібно підключати набагато більш широку номенклатуру зовнішніх пристроїв.

. Час реакції системи на зміни параметрів об'єкту управління визначається зовнішніми реальними часовими інтервалами - такі системи називаються системами реального часу. Для особливо відповідальних додатків, наприклад при керуванні літаком, реакція повинна бути практично миттєвою. Це, зокрема, припускає підвищену надійність і апаратної, і програмної частин.

Створення автоматизованих робочих місць:

). дозволяє замінити громіздкі, незручні, дорогі щити управління на персональні комп'ютери. Це зменшує робочу площу, робить робоче місце більш зручним, простим, наочним і значно знижує його вартість;

). робить систему управління гнучкішою, коли для того, щоб додати кілька сигналізаційних ламп або керуючих важелів не потрібно повністю міняти весь щит, а можна лише зробити невеликі зміни в комп'ютерній програмі;

3). полегшує аналіз і управління технологічним процесом, адже програмне забезпечення дозволяє представляти дані в найрізноманітнішому вигляді (графіки, діаграми, рівні, зміна положення, кольору і т.д.), дозволяє зберігати дані тривалий час, а управління здійснюється натисканням клавіші або кліком мишки.

. Термінологія АСУ ТП

Автоматика - галузь теоретичних і прикладних знань про пристрої і системи, що діють без прямої участі людини. Входить до складу технічної кібернетики в якості теорії автоматичного управління технічними засобами (керуючими пристроями, датчиками, виконавчими механізмами і пристроями, що забезпечують взаємодію людини з обчислювальною машиною) разом з теорією і прикладними основами створення і організації їх функціонування. Удосконалення технічних засобів і поширення автоматичних керуючих пристроїв сприяє автоматизації виробництва.

Автоматизація виробництва - вищий рівень розвитку машинної техніки, коли регулювання і управління виробництвом здійснюється без безпосередньої участі людини, а лише під його контролем. Автоматизація виробництва означає появу якісно нової системи машин, особливістю якої є наявність керуючої ланки, що ґрунтується на застосуванні електронних обчислювальних машин (ЕОМ), приладів і засобів автоматизації.

Автоматизована система - сукупність керованого об'єкта й автоматизованих керуючих пристроїв, у якій частину функцій керування виконує людина. Автоматизована система отримує інформацію від об'єкта управління, передає, перетворює й обробляє її, формує керуючі команди та виконує їх на керованому об'єкті. Людина визначає цілі та критерії управління, коригує їх, якщо змінюються умови.

Автоматизована система управління (АСУ) - система, заснована на комплексному використанні технічних, математичних, інформаційних та організаційних засобів для управління складними технічними й економічними об'єктами.

Автоматизована система управління (АСУ) - automatized management system - сукупність математичних методів, технічних засобів (комп'ютерів, засобів зв'язку, пристроїв відображення інформації і т.д.) і організаційних комплексів, що забезпечують раціональне управління складним об'єктом (процесом) відповідно до заданої метою. АСУ прийнято ділити на основу і функціональну частину. В основу входять інформаційне, технічне і математичне забезпечення.

До функціональної частини відносять набір взаємопов'язаних програм, що автоматизують конкретні функції управління (планування, фінансово-бухгалтерську діяльність та ін.) Розрізняють АСУ об'єктами (технологічними процесами - АСУТП, підприємством - АСУП, галуззю - ОАСУ) і функціональними автоматизованими системами, наприклад, проектування, розрахунків, матеріально-технічного та іншого забезпечення.

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (Система супервізорного управління та збору даних). Система управління і моніторингу, що містить програмно-апаратні засоби, взаємодіючі між собою через локальні і глобальні мережі.

Програмований логічний контролер (ПЛК) - електронний пристрій, що містить в складі один або декілька мікропроцесорів, модулі пам'яті, порти введення / виводу, призначених для збору даних про стан технологічного процесу, а також для автоматичного управління ним.

Технологічний процес - процес обробки або переробки (зміни стану, властивостей, форми) сировини, матеріалів і напівфабрикатів у процесі виробництва продукції.

OLE for Process Control (OPC) - стандартний механізм доступу програмних додатків до даних технологічного процесу.

OPC сервер - програмний продукт, що виконує обмін даними з технологічним процесом у реальному масштабі часу.

OPC клієнт - програма, яка має можливість здійснювати взаємодію з OPC-сервером.

Мнемонічна схема (мнемосхема) - сукупність сигнальних пристроїв і сигнальних зображень устаткування, внутрішніх зв'язків контрольованого об'єкту, що розміщуються на диспетчерських пультах, спеціальних панелях або виконаних на персональному комп'ютері. Полегшує запам'ятовування структури об'єкта, контроль режимів його дії і керування ним. Застосовується на промислових підприємствах, в енергетичних системах та інше.

Технологічна змінна - змінна, яка містить значення одного з технологічних параметрів, що знімається з датчика.

Комплексна автоматизація виробництва - complex automation manufacturing - методологія автоматизації виробничих процесів за допомогою комп'ютерів. Об'єднує проектні роботи, технологічні засоби, системи планування, контролю, управління та обліку. В результаті підприємство суттєво зменшує накладні витрати, витрати на фінансування, забезпечує економію сировини і енергії, скорочує брак і відходи.

Протокол - protocol - набір правил, яких дотримуються комп'ютери і програми при обміні інформацією. Існує маса різних протоколів, які управляють всіма аспектами зв'язку і передачі даних від апаратного до прикладного рівня, але всі вони сходяться в тому, що задають правила, роблячи зв'язок можливим.

3. SCADA - система

Всі сучасні SCADA-системи включають три основних структурних компоненти:

Remote Terminal Unit (RTU) - віддалений термінал, який здійснює обробку завдання (управління) в режимі реального часу. Спектр його втілень широкий - від примітивних датчиків, які знімають інформацію з об'єкта, до спеціалізованих багатопроцесорних відмовостійких обчислювальних комплексів, що здійснюють обробку інформації і керування в режимі реального часу. Конкретна його реалізація визначається конкретним застосуванням. Використання пристроїв низькорівневої обробки інформації дозволяє знизити вимоги до пропускної здатності каналів зв'язку з центральним диспетчерським пунктом.

Master Terminal Unit (МTU), Master Station (MS) - диспетчерський пункт управління (головний термінал); здійснює обробку даних і керування високого рівня, як правило, в режимі м'якого (квазі-реального) часу; одна з основних функцій - забезпечення інтерфейсу між людиною-оператором і системою. В залежності від конкретної системи MTU може бути реалізований у найрізноманітнішому вигляді - від одиночного комп'ютера з додатковими пристроями підключення до каналів зв'язку, до великих обчислювальних систем (мейнфреймів) і / або об'єднаних у локальну мережу робочих станцій і серверів. Як правило, при побудові МП використовуються різні методи підвищення надійності і безпеки роботи системи.System (CS) - комунікаційна система (канали зв'язку) необхідна для передачі даних з віддалених точок (об'єктів, терміналів) на центральний інтерфейс оператора-диспетчера та передачі сигналів управління на RTU (або віддалений об'єкт - в залежності від конкретного виконання системи).

Функціональна структура SCADA-системи

Існує два типи управління віддаленими об'єктами SCADA: автоматичний і ініційоване оператором системи.

Виділяють чотири основних функціональних компоненти систем диспетчерського управління та збору даних:

) людина-оператор;

) комп'ютер взаємодіє з людиною;

) завдання (об'єкт управління).

А також визначають п'ять функцій людини-оператора в системі диспетчерського управління і характеризують їх як набір вкладених циклів, в яких оператор:

·  планує, які наступні дії необхідно виконати;

·        навчає (програмує) комп'ютерну систему на подальші дії;