Состав АСУ ТП

Введение

Краткая история применения микропроцессорной техники в системах
автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Виды и структуры АСУ ТП.

Микропроцессорная техника

Элементную базу цифровых устройств составляют интегральные схемы (ИС). Со времени их изобретения ИС постоянно совершенствуются и усложняются. Характеристикой сложности ИС является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базовых логических элементов, либо числом транзисторов, которые размещены на кристалле.

По уровню интеграции ИС подразделяют: на МИС, СИС, БИС, СБИС (соответственно малые, средние, большие и сверхбольшие ИС).

МИС реализуют простейшие логические преобразования (ИЛИ, И, И-НЕ и др. ) и обладают универсальностью - на них может быть построено любое цифровое устройство. В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т. п.

СИС менее универсальны, чем МИС, поэтому номенклатура СИС более широкая и разнообразная.

БИС и СБИС содержат тысячи и миллионы логических элементов в одном кристалле. - Для ИС с жесткой структурой рост уровня интеграции приводил бы к проблеме снижения универсальности, вследствие чего пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объемапроизводства каждого из типов, что увеличило бы их стоимость.

Решение этой проблемы было найдено путем переноса специализации микросхем в область программирования. Появились процессоры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

У каждого микропроцессора есть набор (система) команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Промышленность, таким образом, получает возможность массового производства кристаллов, не ориентируясь на определенного потребителя: Это существенно снижает стоимость таких ИС.

Микропроцессором (МП) называют построенное на одной (реже на нескольких) БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и

управление им. Применение приставки «микро» к термину «процессор» носит исторический
характер; поскольку в современной микроэлектронике и вычислительной технике- о другой

реализации процессоров и речи быть не может.

МП является основным устройством обработки информации в микропроцессорной системе (или микроЭВМ). Микропроцессорная система (МПС) реализует выполнение заданной программы и содержит в своем составе микропроцессор, память, устройства ввода/вывода и интерфейсные схемы.

Микропроцессоры и МПС универсальны: при решении различных задач изменяется реализуемая программа, а их структура остается неизменной. Универсальность МП привела к их широкому распространению, увеличению объемов их производства и, как следствие, к снижению их стоимости.

По типу архитектуры, или принципу построения, различают МПС с принстонской архитектурой (архитектурой фон Неймана) и МПС с гарвардской архитектурой. Первые МПС строились по принстонской архитектуре, в которой память для команд и данных является общей. Достоинства этой архитектуры: простота, возможность оперативного перераспределения памяти между областямихранения команд и данных и др. Недостаток - последовательная во времени выборка из памятикоманд и данных, передаваемых по одной и той же системной шине, что ограничиваетпроизводительность МПС.

В гарвардской архитектуре память разделена на память команд и память данных, причем каждая из них имеет собственную шину для общения с процессором. При этом во время передач данных для выполнения текущей команды можно производить выборку и расшифровку следующей, что повышает производительность МПС.

По типу системы команд микропроцессоры делятся: -

на СI~С-процессоры;

АISС-процессоры;

VLIW-процессоры.

Процессоры CISC (Сотр1ек Instruction Set Computer) имеют так называемую сложную систему команд, т. е. большой набор разноформатных команд при использовании многих способов адресации. Архитектура CISC присуща классическим процессорам.

Процессоры RISC (Reduced lnstruction е1 Computer) имеют сокращенную систему команд. Исключены редко применяемые команды. _Форматы команд в большинстве случаев идентичны.

Используется, как правило, непосредственная и регистровая адресация. Значительно увеличеночисло регистров процессора, что позволяет редко обращаться к внешней памяти, а это повышает быстродействие системы.

Особенность процессоров VLIW(Very Long Instruction Word) заключается в использовании очень длинны команд (16 и более байт). Одна длинная команда определяет сразу группу операций. Такие процессоры считаются перспективными. Производительность микропроцессоров растет с каждым днем. В выпускаемых сегодня процессорах применяются: конвейерная обработка информации (переход к выполнению этапа следующей команды сразу после_ освобождения ступени конвейераобработки этапа предыдущей команды); кэш-память, установленная на одном кристалле спроцессором; предсказатели ветвления программы; используется разделение ядра процессора и т. д.

Кроме понятий «микропроцессор» и «микропроцессорная система» существует также понятие «микропроцессорный, комплект». Микропроцессорным комплектом (МПК)- называют совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в составе МПС. Понятие _ МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместность по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др. ).

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем, ориентированных нареализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. Сейчас стало возможным размещать микроконтроллеры на одном кристалле.

Микроконтроллер значительно проще универсальной -микроЭВМ. Прежде всего, МК в сравнении с универсальной микроЭВМ характеризуются меньшим объемом и быстродействием памяти, менее разработанным составом внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия запоминающих устройств (микросхемы ОЗУ, микросхемы ПЗУ, флеш-память и т. д. ), что необходимо для решения разнообразных задач, возложенных на универсальную микроЭВМ. МК реализует менее сложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, гораздо меньшие, чем у микроЭВМ широкого назначения. —

В большинстве случаев МК содержат RISC-процессоры. Эти процессоры характеризуютсянабором однотипных команд с ограниченным числом способов адресации, увеличенным числомвнутренних регистров процессора, что позволяет реже обращаться к внешней памяти МПС. Все это приводит к упрощению процессора и к увеличению быстродействия системы. Микроконтроллеры, конечно. же, менее универсальны по сравнению с микроЭВМ- широкого назначения, но и выполняемые ими задачи строго ограничены. Поэтому аппаратных возможностей МК должно быть достаточно именно для выполнения возложенных на него задач.

Автоматизированные системы управления

Автоматизированные системы управления (АСУ) - термин, впервые появившийся-в Росси в 1960-е гг. в связи с применением компьютеров и информационных технологий в управлении экономическими объектами и процессами, что дало возможность повысить эффективность производства, лучше использовать ресурсы, избавить управленцев от выполнения нетворческих рутинных операций. В настоящее время в мировой практике для обозначения полнофункциональных интегрированных АСУ, используемых фирмами, применяют названия система управления ресурсами (англ. management resource planning, МАР) и управление ресурсами предприятия (англ. enterprise resource planning, ЕАР). Такие системы позволяют информационно поддерживать, обеспечивать все направления управленческой деятельности предприятия.

Автоматизированные системы управления (АСУ) - кибернетические системы, а которых умственная деятельность людей сочетается с переработкой информации, расчетами, логическими операциями_; проводимыми с использованием вычислительной техники и современных- средств хранения, передачи и обработки информации. -АСУ применяются в управлении производством транспортом, строительством и многими другими экономическими объектами и процессами_ -

Автоматизированные системы управления технологическим им процессом

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) - группа решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управлениятехнологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с болееобщей автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУ ТП обычно понимается целостное решение, обеспечивающее автоматизацию основныхопераций технологического процесса на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершённое изделие.

Понятие «автоматизированный», в отличие от понятия «автоматический», подчёркивает необходимость участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения контроля надпроцессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельныопераций.

Составными частями АСУ ТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Такие как системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), распределенные системы управления (ГС), и другие более мелкие системы управления (например, системы на программируемых логических контроллерах). Как правило, АСУ ТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного-или нескольких пультов управления, средства –обработкиархивирования информации о коде процесса, типовые элементы автоматики: датчики, устройства управления; исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются _ промышленные сети.

Также, не следует путать понятия «АСУ ТП» и «КИПиА» (контрольно-измерительные приборыавтоматика). В плане специализации работников промышленны предприятий - разделение повидам деятельности, в основном, ведётся на технологическом уровне: специалисты АСУ ТПобслуживают контроллерное оборудование, программное обеспечение, АРМ и их поддержку, в товремя как в ответственности специалистов КИПиА находится остальное оборудованиеипринадлежности, также попадающих под общее понятие «АСУ ТП».

Автоматизированная система управления иконтроля предназначена для управлениятехнологическим процессом, оптимизации технологических процессов, автоматизациитехнологических процессов, поддержания оптимального режима работы технологических аппаратовучета промежуточных данных, формирования и выдачи отчетной и архивной документации, диагностики измерительного оборудования во - всех отраслях промышленности таких какстроительная, пищевая, химическая, нефтеперерабатывающая и др. Станции автоматического управления (САУ) представляют собой многофункциональные электротехнические шкафы и щиты автоматики, основной целью которых является автоматизация технологических процессов.

АСУ ТП должна иметь:

высокую информативность, помогающую оценить техпроцесс, выбрать критерии и определить, их относительную важность;

иметь возможность анализа технологической обстановки, нарушений ведения технологического процесса, позволяющую вести технологическую наладку производства;

возможность поиска оптимального режима ведения технологического процесса;

высокую точность по измерению технологических параметров и их регулированию,

возможность автоматической дозировки компонентов;

возможность качественного поддерживания технологического режима по заданному алгоритму;

возможность расширения системы управления;

возможность создания на базе АСУ ТП автоматизированных рабочих мест (АРМ) обслуживающего персонала.

АСУ ТП полностью решают все эти задачи, направленные на оптимизацию технологических процессов. В комплекс услуг по пуско-наладке комплексных систем автоматизации входят обучениепо внедрению и применению средств промышленной автоматизации на производстве, профилактический осмотр, сервисное обслуживание станций автоматического управления и т. д. Программное обеспечение программно-технического комплекса предназначено для реализацииавтоматизированного управления технологическим оборудованием и диспетчеризации параметровтехнологического процесса станции автоматического управления (АСУ ТП).

К основным функциям поставляемых АСУ ТП относятся:

- автоматическая диспетчеризация параметров технологического оборудования (уровней, давлений, уровней раздела фаз; температур и расходов по технологическим аппаратам);

- сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными значениями и формирование сигналов управления, а также предупредительной и аварийной сигнализации;

- отображение хода технологического процесса в виде мнемосхем, трендов (графиков изменения параметров во времени), индикаторов; хронометрирования основных технологических параметров, формирование протокола событий и архивных данных;

- оперативное автоматическое и ручное управление электрозадвижками и регулирующими клапанами с пульта автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора технолога;

- оперативное автоматическое и ручное управление электрозадвижками и регулирующими клапанами с пульта автоматизированного рабочего места (АРМ) оператортехнолога;

- имитация объекта управления, различных аварий и отказов, для независимой отладки и обучения обслуживающего персонала. -

В АСУ ТП выделяется четыре уровня иерархии:

- нижний уровень - уровень датчиков и исполнительных механизмов;

- средний уровень -уровень промышленных контроллеров (ПЛК); -

- верхний уровень - уровень промышленного сервера и сетевого оборудования;

- оперативный уровень - уровень операторских и диспетчерских станций.

Нижний уровень состоит из датчиков и - исполнительных механизмов, устанавливаемых на технологических объектах. Их конструкция и исполнение позволяют им устойчиво и безопасно функционировать при самых неблагоприятных погодных условиях, а также во взрывоопасных зонах. Связь датчиков и исполнительных механизмов со средним уровнем осуществляется с помощью соответствующих кабелей.

Средний уровень состоит из промышленных контроллеров, силовой, сигнализационной автоматики и необходимых вторичных приборов. Должны быть расположены на территории таким образом, чтобы минимизировать затраты на прокладку кабелей и снизить влияние помех. Ядром программно-технических средств контроля и управления системы являются промышленные контроллеры.

Промышленные контроллеры осуществляют:

- сбор и обработку данных; поступающих с датчиков;

-управление технологическими объектами по заданным алгоритмам работы.

Отличительными особенностями в выбранных моделях контроллеров являются:

- широкая номенклатура модулей, позволяющая разрабатывать многофункциональные системы контроля и управления;

- наличие интеллектуальных модулей ввода/вывода, в том числе модулей, регуляторов автономного функционирования;

- дублирование модулей центрального процессора и блока питания;

- возможность «горячей» замены модулей;

- наличие выходных цепей, имеющих вид защиты.

Передача информации от контроллеров на следующий уровень и прием команд управления осуществляется с использованием стандартных интерфейсов Р485. Связь любого промышленного контроллера с сервером осуществляется одновременно по двум независимым каналам связи.

Дублирование каналов связи «сервер - промышленный контроллер» необходимо для повышения надежности системы в целом.

Верхний уровень системы - это уровень промышленного сервера и сетевого оборудования.

Сетевое оборудование состоит из концентраторов, коммутаторов и преобразователей.

Промышленный сервер представляет собой высоконадежную отказоустойчивую вычислительную систему и обеспечивает накопление в реальном масштабе времени и- надежное -длительное хранение больших объемов технологической информации, а- также доступ к ней с -большого числа автоматизированных рабочих мест оперативного уровня. - Сетевое и телекоммуникационное оборудование. сетевые каналы, телефонные и оптоволоконные линии связи образуют высокоскоростную территориально-распределенную вычислительную сеть

промышленного назначения. Отказоустойчивость сети обеспечивается резервированием сетевых каналов; линий связи и коммуникационного оборудования.

Оперативный уровень состоит из автоматизированных рабочих мест операторов и диспетчеров, а также сетевого. принтера, установленных в различны помещениях и зданиях. Объединенные в локальную сеть АРМы образуют единый информационно-вычислительньп3 комплекс (ИВК). ИВК реализует отображение в графическом виде технологической информации, обеспечивает выдачу аварийных сигналов и взаимодействие операторов с АСУ ТП, организует связь с другими системами управления. На этом уровне создаются как полностью дублирующие (равноправные по получаемым данным и по функциям управления) друг друга рабочие места, так и технологически ориентированные рабочие места, адекватно учитывающие специфику работы персонала и технологии участка производства.

Состав АСУ ТП

АСУ ТП возникли на стыке следующих отраслей науки и техники: технологическая автоматика, вычислительная техника, прикладная математика (в том числе программирование), теория информации, теория организации и управления, высокомеханизированные и автоматизированное технологическое оборудование большой мощности.

В состав АСУ ТП входят следующие компоненты:

- информационное обеспечение;

- техническое обеспечение;

- математическое обеспечение;

- программное обеспечение;

- организационное обеспечение;

- метрологическое обеспечение;

- эргономическое обеспечение;

- оперативный персонал.

Информационное обеспечение АСУ ТП включает:

- исходные данные, используемые в процессе разработки или эксплуатации системы;

- промежуточные данные, хранящиеся в базах -данных реального времени; используемые для дальнейшей обработки;

- выходные данные, передаваемые для реализации на исполнительные устройства, отображаемые визуально на панелях операторов, табло и мониторах рабочих станций;

- передаваемых пользователям в электронном или бумажном виде;

- принятые формы входных й выходных документов (электронных или бумажных); - принятая система кодирования информации;

- электронные архивы данных.

В состав информационного обеспечения АСУ ТП входят внемашинные (на бумажных носителях) и внутримашинные (на электронных носителях) компоненты. Так, например, к внемашинным компонентам информационного обеспечения АСУ ТП можно отнести технологический регламент, определяющий допустимые пределы изменения технологических параметров, условия аварийныхотключений, порядок пуска и-останова оборудования и т. п. К внутримашинному информационному обеспечению АСУ ТП относятся входные сигналы, поступающие от датчиков, а также выходные сигналы на исполнительные устройства, архивы нарушений технологического регламента, графики изменений контролируемых параметров, сформированные на экране монитора и т. п.

Техническое (аппаратное) обеспечение АСУ ТП - это комплекс технических средств, обеспечивающих выполнение всех функций АСУ ТП, а также обеспечивающих взаимодействие персонала с техническими средствами системы и с технологическим процессом. -

В состав технического обеспечения АСУ ТП входят:

- средства сбора информации (измерительные преобразователи, счетчики, сигнализаторы, устройства ручного ввода);

- исполнительные устройства;

- программируемы е логические контроллеры;

- устройства распределенного ввода/вывода;

- операторские станции;

- инженерные станции;

- серверы;

- панели оператора;

- программаторы;

- сетевые адаптеры;

- преобразователи частоты;

- пускатели;

- концевые выключатели;

- кабели связи;

- табло;

- устройства световой и звуковой сигнализации.

Математическое обеспечение АСУ ТП - это совокупность математических моделей, методов, алгоритмов решения различных задач, используемая на этапе проектирования и в- процессе эксплуатации АСУ ТП.

К математическому обеспечению относятся:

- методы фильтрации сигналов;

- методы идентификации математических моделей;

- математические модели объектов управления;

- методы анализа, синтеза и настройки контуров регулирования;

- алгоритмы управления и регулирования;

- методы анализа устойчивости и точности систем;

- методы и алгоритмы оптимизации (поиска экстремума);

- методы принятия решений; -

- алгоритмы адаптации параметров системы управления;

- алгоритмы косвенны измерений;,

- методы прогнозирования случайных последовательностей;

- методы наблюдения состояния динамической системы;

- интеллектуальные алгоритмы управления.

Программное обеспечение АСУ ТП - совокупность программ, обеспечивающих функционирование всех цифровых вычислительных средств АСУ ТП (контроллеры, серверы,. рабочие и инженерные, станции, программаторы, панели оператора), а также решающих все функциональные задачи на этапах разработки, наладки, тестирования и эксплуатации системы.

Программное обеспечение АСУ ТП принято делить на две категории:

- общее программное обеспечение, включающее операционные системы, САГА-системы, пакеты программ для программирования контроллеров, компиляторы, редакторы и т. п. Общее программное обеспечение АСУ ТП не привязано к конкретному объекту -автоматизации,.. закупается и поставляется так же, как и технические средства. -

- специальное программное обеспечение - это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП. К этой категории относятся программы для контроллеров, реализующие определенные функциональные задачи обработки информации и управления; программы, сгенерированные в среде САПА-системы для визуализации, архивирования данных конкретного технологического процесса.

Организационное обеспечение АСУ ТП - совокупность документов, устанавливающих порядок и правила функционирования оперативного персонала АСУ ТП, а также организационные мероприятия, направленные на успешное внедрение системы и на безопасное ведение технологического процесса.

В частности, к организационному обеспечению АСУ ТП относятся:

- технологический регламент производства в условиях функционирования АСУ ТП;

- описание функциональной, организационной и технической структур автоматизированного технологического комплекса;

- штатное расписание, должностные инструкции технологического и оперативного персонала в условиях функционирования АСУ ТП;

- инструкция по пуску и останову технологических агрегатов в условиях АСУ ТП;

- обучение персонала работе с АСУ ТП;

- правила техники безопасности в условиях АСУ ТП.

Метрологическое обеспечение АСУ ТП - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения

единства и требуемой точности измерения.

Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой задачи определяется следующими тремя условиями: -

- результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах;

- значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;

- значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).

Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно всё, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Третье из перечисленных выше условий определяет требования к точности применяемых

методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок и, как следствие, к экономическим потерям. Завышенные требования к точности измерений требуют дополнительных затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование влияет не только на метеорологические, но и на экономические показатели системы. Если при измерениях соблюдаются все три условия (обеспечивается и единство, и требуемая точностьизмерений), то говорят о метрологическом обеспечении.

Необходимо отметить, что в АСУ ТП данные, полученные от измерительных преобразователей, проходят целый ряд этапов обработки и преобразования:

- аналоговая фильтрация от высокочастотных помех;

- дискретизация сигнала во времени;

- аналого-цифровое преобразованиес определенной разрядностью;

- цифровая фильтрация.

Такая обработка, в общем случае, изменяет метрологические характеристики результирующих данных в сравнении с исходными данными от датчика, вносит временную задержку. Поэтому для корректного использования данных АСУ ТП (например, данных коммерческого учета тепловой и электрической энергии) необходимо выполнить оценку метрологических характеристик этих данных с учетом всех этапов обработки.

Эргономическое обеспечение АСУ ТП - это нормы эргономики и инженерной психологии, положенные в основу проектирования АСУ ТП. Прежде всего, это касается организации пультов оператора, мнемосхем, табло, устройств световой и звуковой сигнализации и других элементов так называемого человеко-машинного интерфейса системы. Эргономика и инженерная психология помогает выбрать рациональное расположение автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, формы отображения информации на мониторах и табло, вид технологической клавиатуры и т. п.

Разработка АСУ ТП без учета рекомендаций эргономики повышает вероятность ошибок оперативного персонала, увеличивает время реакции на событие, вызывает дополнительные психологические нагрузки. Типовые аппаратно-программные решения ведущих производителей.

систем автоматизации выполнены в соответствии с современными требованиями эргономики, инженерной психологии и технической эстетики.

Оперативный персонал - состоит из технологов-операторов диспетчеров, аппаратчиков, машинистов, осуществляющих контроль и управление технологическим объектом и эксплуатационного персонала служб КИПиА, обеспечивающих правильное функционирование всех технических и программных средств АСУ ТП. Следует заметить, что, несмотря на повышение уровня автоматизации технологических процессов, роль оперативного персонала в АСУ ТП остается чрезвычайно высокой. Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы.

Эффективное функционирование АСУ ТП может быть достигнуто лишь в случае правильного выбора и постоянного взаимодействия всех видов обеспечения АСУ ТП. Так, например, высокие технические характеристики аппаратных средств и современное общее программное обеспечение окажутся невостребованными, если в математическом и специальном программном обеспечении не будет необходимых математических моделей, методов, алгоритмов и программ, если квалификация оперативного персонала не позволит в полной мере использовать возможности АСУ ТП.

12 Следующая ⇒