Интегрированная (комплексная) система АСУ, базой которой являются средства вычислительной техники, подразумевает, прежде всего, взаимодействие различных программных продуктов. Очевидно, что эти программные продукты и решаемые ими задачи можно подразделить на уровни в соответствии с уровнями задач АСУ. Состав и классификация таких уровней в настоящее время определяется пирамидой, показанной на рис. 3.2. Два нижних уровня пирамиды – это то, что относится к АСУТП, два верхних – к АСУП.
Рис. 3.2. Пирамида классификации программных средств по автоматизации предприятия
Группа задач, решаемая на уровне программируемых логических контроллеров четко относится к сфере АСУТП.
Следующий уровень задач в иерархии управления производством относят к системам типа SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) и DCS (Distributed Control Systems). Они решают задачи управления процессом с операторных станций и поддержки распределенных систем управления. Кроме прочего системы SCADA и DCS включают в себя задачи класса MMI (Man-Machine Interface) или HMI (Human-Machine Interface) – обеспечения человеко-машинного интерфейса, двусторонней связи "оператор – технологическое оборудование".
Вершину иерархии задач управления составляют задачи относящиеся к классу ERP (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприятия) или MRP (Manufacturing Resource Planning – планирование ресурсов производства). Системы ERP ориентированы на предприятие в целом, а MRP на его технологические подразделения.
Постепенно между MMI и ERP образовалась промежуточная группа систем, называемая MES (Manufacturing Execution Systems). Она возникла вследствие обособления задач, не относящихся ни к одной из ранее определенных групп. К системам MES принято относить приложения, отвечающие:
· за управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;
· планирование и контроль последовательности операций технологического процесса;
· управление качеством продукции;
· хранение исходных материалов и произведенной продукции по технологическим подразделениям;
· техническое обслуживание производственного оборудования;
· связь систем ERP и SCADA/DCS.
В MES произошло отделение тактических задач оперативного управления технологическими процессами от стратегических задач ведения процесса в целом. В частности, в химической, металлургической, пищевой и некоторых других отраслях промышленности можно выделить задачи управления технологическими последовательностями (batch control). Их суть в обеспечении выпуска продукции в нужном объеме с заданными технологическими характеристиками при наличии возможности перехода на новый вид продукции. Отделились и задачи ведения архива значений технологических переменных с возможностью восстановления производственных ситуаций прошедших периодов и анализа нештатных ситуаций. Появились программы обучения технологического персонала и оптимизации ведения технологических процессов.
Отметим роль САПР, стоящих несколько обособленно от рассматриваемой пирамиды программ. Современные технологии САПР для предприятий представлены системами CAD/CAM/CAE/PDM (Сomputer Aided Design, Manufacturing, Engineering, Product Data Management). Эти системы позволяют обойтись без "бумажной" документации, осуществляя прямую связь между процессами разработки изделия и его производства, что позволяет повысить качество продукции и сократить период разработки. Они служат для автоматизации проектировочных работ при разработке конструкторской документации, технических и программных продуктов.
Для того чтобы различным уровням АСУ обмениваться данными, необходимо установить общий язык и иметь общее информационное пространство для общения. Для обеспечения этого необходимо:
· Использование баз данных, в том числе в качестве буфера между различными подсистемами, чтобы обеспечивать оперативный обмен данными между подсистемами. Причем БД являются как основой функционирования самих подсистем, так и средством, используемым для хранения функциональных данных. Именно БД могут стать основным средством интеграции двух подсистем.
· Применение класса продуктов, главным назначением которых является импортирование объектов из одной подсистемы и экспортирование их в другую подсистему.
С помощью СУБД на предприятиях избавились от проблем, связанных с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой, к тому же, различными и, зачастую, несовместимыми друг с другом способами. Однако использование традиционных реляционных баз данных, ориентированных на АСУП, не всегда возможно в системах управления технологическими процессами. Этому препятствует несколько основных ограничений:
· производственные процессы генерируют данные очень быстро и обычные БД не всегда могут выдержать подобную нагрузку;
· объёмы производственной информации настолько велики, что она просто может не вмещаться в традиционную БД.
Результатом преодоления этих ограничений стало появление класса продуктов, называемых базами данных реального времени (БДРВ). В настоящее время БДРВ являются продуктами, ориентированными на хранение технологической информации, на высокие скоростные характеристики регистрации, на сжатие данных, на обеспечение связи с управленческими данными, на использование уже ставших стандартными в подсистемах АСУП интерфейсов.
Используемая в БДРВ архитектура клиент-сервер позволяет заполнить промежуток между промышленными системами контроля и управления реального времени, для которых характерны большие объемы информации, и открытыми гибкими управленческими информационными системами. Благодаря наличию мощного и гибкого процессора запросов пользователи имеют возможность осуществлять поиск любой степени сложности для выявления зависимостей и связей между физическими характеристиками, оперативными условиями и технологическими событиями.
Стандартным механизмом поиска информации на серверах БДРВ является SQL, что гарантирует доступность данных самому широкому кругу приложений. В подмножество языка SQL входят расширения, служащие для получения динамических производственных данных и позволяющие строить запросы на базе временных отметок.
Например, фирма Wonderware предлагает IndustrialSQL Server, позволяющий регистрировать данные в реальном времени. Построен IndustrialSQL Server на базе Microsoft SQL Server. Это существенно расширяет возможности всего производственного персонала в смысле возможности доступа к полной информации о любом этапе производства.
Применение продуктов, назначением которых является импортирование объектов из одной подсистемы и экспортирование их в другую подсистему невозможно без широкой стандартизации интерфейсов. В офисных приложениях преимущества стандартизации неоспоримы. Это и уменьшение цены на приложение и удобный пользовательский интерфейс. Промышленные приложения совсем другое поле деятельности. Многие отрасли промышленности предъявляют к системам управления свои, уникальные требования, связанные с конкретными технологиями производств.
Для промышленных приложений пока нет своего аналога Microsoft, который диктовал бы такой стремительный темп развития и его напрвление. Скорее всего, таковой и не появится из-за невозможности охватить столь огромный и неоднородный рынок. Однако, положительный опыт стандартизации офисных пакетов неизбежно открывает путь введения стандартов на разработку промышленных приложений. Под этим не следует понимать переход к использованию одной операционной системы, базы данных или сетевого протокола. Речь идет о разработке стандартных приемов (интерфейсов) увязки объектов, созданных в различных приложениях.
Подсистемы АСУТП
В состав АСУТП входят 4 подсистемы:
- программное математическое обеспечение (ПМО);
- информационное обеспечение (ИО);
- техническое обеспечение (ТО);
- организационное (ОО) и эргономическое (ЭО) обеспечение.
Программное математическое обеспечение АСУТП
Программное обеспечение (ПО) АСУТП является ее операционной частью, осуществляющей функциональные преобразования.
ПО АСУТП включает в себя:
программные трансляторы для перевода символьных текстовых программ в машинные коды; программы компоновщики для объединения отдельных программ в единую программу работы ЭВМ;
программы загрузчики для загрузки полученного модуля в заданную область памяти.
библиотеки стандартных программ для описания часто повторяющихся функций, программы тестов для обнаружения технических средств.
так как при функционировании АСУТП требуется обеспечить взаимодействие нескольких программ, реализуемых в одно время, используются специальные управляющие программы.
ПО можно разделить на две крупные части:
- Общее (системное) программное обеспечение
- Прикладное программное обеспечение
Общее (системное) программное обеспечение поставляется вместе с вычислительным комплексом или разрабатывается под заказ специализированными фирмами. Оно ориентировано на решение общих проблем функционирования системы и не связано с ТОУ, для которого выполнена АСУТП.
Важнейшая часть общего программного обеспечения - операционные системы - такие программные комплексы, которые позволяют осуществить разработку, отладку, координирование программ, реализующих технологические задачи управления в процессе выполнения этих программ.
С точки зрения работы АСУТП задача координации программ - наиболее важная. Для этой цели в составе операционных систем реального времени есть диспетчер реального времени - системная программа, осуществляющая запуск отдельных задач (программ) и управление их выполнением в зависимости от событий реального времени.
Прикладное программное обеспечение - набор прикладных (объектно-ориентированных) программ для каждой задачи, возникающей в процессе работы ТОУ, в том числе для задач управления.
Прикладное программное обеспечение разрабатывается пользователями совместно с разработчиками системы.
Прикладное программное обеспечение всегда специализировано в соответствии со структурой ТОУ.
При разработке прикладного программного обеспечения формируется постановка задачи и цель ее решения; алгоритм решения задачи; текст программы; контрольный пример и инструкция по пользованию программой.
В целом, учитывая специфику задач, решаемых ЭВМ, программное обеспечение можно представить в следующей форме:
   Входная информация
| |||
       
| |||
      Первичная переработка информации
| фильтрация | ||
| сглаживание | |||
| интерполяция | |||
| экстраполяция | |||
| ………………… | |||
      
| пакеты прикладных программ | ||
         Вторичная переработку информации
| |||
| нормативные данные | |||
| константы | |||
 
| |||
  Результаты переработки информации
| ТЭП | ||
| режимные листы | |||
| советы | |||
| … … … … … |
Информационное обеспечение АСУТП
Информационное обеспечение (ИО) - другая не менее важная составляющая структуры АСУТП.
Основа информационного обеспечения - информационная модель объекта (ТОУ) - совокупность упорядоченных данных об объекте, размещенных в памяти ЭВМ.
Совокупность программных средств доступа и самих упорядоченных данных составляют автоматическую базу данных (АБД) - способ централизованного хранения информации, но это не означает, что средства для хранения информации также централизованы.
Способ обновления и хранения информации предполагает однократное, единовременное обновление данных и их многократное копирование из одного источника по различным адресам.
Данные не ориентированы на структуру конкретных программ и могут организовываться, например, в соответствии со структурой ТОУ.
АБД в развитии прошли большой путь по структурам хранения:
иерархические;
сетевые;
реляционные.
Также некоторые БД имеют комбинированную структуру, но большинство тяготеет к структуре реляционных БД.
Основу любой АБД, кроме данных составляет СУБД - система управления БД. Современные БД позволяют вести программирование в своей среде с использованием языка БД (SQL).
Следующей немаловажной частью ИО АСУТП являются прикладные программы (ПП).
 |
Прикладные программы АСУТП осуществляют обработку информации, получая исходные данные в качестве входной информации, перерабатывая ее в выходную информацию с привлечением некоторых нормативных данных и констант:
В силу того, что размещение данных в памяти, удобное для одной программы, может оказаться неприемлемым для другой программы, данные в памяти ЭВМ не ориентируются на привязку к конкретным программам, а размещаются в памяти в соответствии со структурой ТОУ, образуя информационную модель объекта.
Между записями данных могут устанавливаться связи, например, с помощью ссылок из одной записи на другую. Если наборы записей данных в памяти упорядочены и между ними установлены связи, то наборы этих записей образуют АБД. Если все данные сведены в таблицы, то такая АБД - реляционная.
Следствие использования описанного способа хранения данных - разрушение данных в каком-то участке памяти может привести к цепной реакции разрушения всей АБД и т.о. к отказу функционирования системы.
В связи с этим серьезное значение следует уделять вопросам защиты данных. Наиболее важно обеспечивать защиту данных при занесении новых данных вручную в силу возможности возникновения субъективных ошибок.
Наиболее просто защита реализуется аппаратным запретом изменения данных. Кроме этого используется программные методы защиты данных.
Лингвистическое обеспечение
Определяется как совокупность языковых средств для формализации естественного языка, построения и сочетания информационных единиц при общении ОТП со средствами ВТ при функционировании АСУТП.
Все языковые средства, применяемые в АСУТП, можно разделить на 3 типа:
- естественно-специализированные - узкий набор терминов, ориентированный на выбранную область применения;
- информационные - для наиболее простого перехода от естественного языка к машинному;
- программирующие - машинно-ориентированные языки.
Техническое обеспечение АСУТП
Техническое обеспечение (ТО) АСУТП - это все, с помощью чего система реализована физически, в т.ч. УСО, локальные средства регулирования и контроля, ЭВМ.
Основу ТО АСУТП составляет КТС. КТС - совокупность управляющего вычислительного комплекса (УВК) и средств локальной автоматики (СЛА).
КТС = УВК + СЛА
УВК = ЭВМ (УВМ) + УСО
Специфическое место КТС - устройства сопряжения (связи) с объектом (УСО). При тех проектах, когда в качестве УВМ использовались специализированные (проблемно-ориентированные) машины класса СМ, большая часть КТС, связанная с УСО, поставлялась вместе с ними. В настоящее время, когда в качестве УВМ используют ППЭВМ технические средства сопряжения с объектом должны поставляться отдельно.
Сами по себе сигналы, используемые при работе машины с объектом могут быть либо в виде непрерывных (аналоговых) сигналов или в виде дискретных (цифровых) сигналов.
Соответственно, УСО делятся на:
- УСО ввода и УСО вывода;
- УСО для ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов.
Наиболее сложна аппаратура УСО ввода аналоговых сигналов, в которых главная задача - преобразовать аналоговый сигнал в форму двоичного кода и всегда центральным узлом такого УСО является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Точность, надежность, быстродействие и стоимость АЦП зависит от требуемой точности и быстродействия преобразования.
Как правило точность преобразования задают на порядок выше точности датчика, чтобы АЦП не вносил дополнительную погрешность в процесс передачи информации от датчика и ЭВМ.
dАЦП £ 0.1 dД
Техническая реализация АСУТП
Один из наиболее “ходовых“ вариантов компоновки системы для технологических установок среднего масштаба заключается в связывании нескольких контроллеров в сеть одним кабелем из пары проводов. К этому же сетевому кабелю подключают так называемые рабочие станции (дисплеи с клавиатурами и манипуляторами), выполняющие функции MMI.
Модули УСО в виде плат (пластин или плоских коробок со смонтированными на них микросхемами) вставляются в специальные гнезда прямо в корпуса контроллеров. С лицевой стороны контроллера модули имеют разъемы или клеммные колодки для подключения линий (кабелей) низовой автоматики: датчиков, исполнительных устройств, сигнализаторов, тумблеров и вторичных приборов (по мере необходимости). Таким образом, сеть рабочих станций (или других устройств MMI), контроллеров и установленных в их корпусах модулей УСО, которые связаны с технологическим процессом, физически образует единую систему автоматизированного управления.
Контроллеры монтируют в нескольких закрытых шкафах или коробках с разводкой электропитания и кабельных линий УСО, а рабочие станции - на пульте операторе.
Другой перспективный вариант компоновки системы заключается в вынесении малогабаритных модулей УСО прямо к технологическим аппаратам установки. Все эти модули связываются в сеть (более низкого уровня, чем сеть контроллеров и MMI) двухжильным кабелем, который и вводится в контроллер, (уже не содержащий УСО). В этом варианте очень существенно экономится кабель, так как в операторную протягиваются сигнальные линии не от каждого датчика отдельно, а пара проводов, на которую приходиться группа датчиков и исполнительных устройств (ИУ) по 10-50 штук.
Возможности конфигурирования различных вариантов систем из блоков во всех современных системах практически неограниченны. Номенклатура блоков, которые производят практически все фирмы разработчики современных систем автоматизации чрезвычайно широка. Она допускает масштабирование системы от регулирования или контроля 3-4-х параметров до управления крупной установкой или всем производством предприятия с тысячами и десятками тысяч контролируемых и регулируемых переменных.
Сами блоки контроллеров могут быть “сжатыми” и “растянутыми”, имея от одного посадочного места для одноплатной ЭВМ до восьми- шестнадцати и более гнезд для установки модулей УСО и других модулей различного назначения (например, для связывания контроллеров в сеть).
Модули УСО в свою очередь также имеют самые разнообразные возможности для подключения, например, от одного до восьми-шестнадцати измерительных каналов к одному модулю. Возможные групповые комбинации измерительных и управляющих каналов подключаемых к одному модулю и т.д.
Систему можно развивать постепенно, модульно или блочно ее наращивая. Такое свойство поддерживается масштабируемостью и также обеспечивается всеми фирмами производителями систем автоматизированного управления.
Эргономическое обеспечение АСУТП
Характерная особенность АСУТП - наличие двух контуров управления (рис. 15):
а) внутреннего, который замыкается через ТОУ и КТС;
б) внешнего, который замыкается через КТС и ОТП.
Рис. 15. Два контура управления в составе АСУТП
По отношению к ОТП система автоматизированного управления аналогична объекту (рис. 16):
Рис. 16. САУ как «объект» по отношению к ОТП.
 |
От объекта управления информация поступает в виде сенсорного потока, проходящего через зрительный и слуховой канал восприятия ОТП. ОТП, в свою очередь, оказывает ручное воздействие на объект, т.е. имеет место моторный поток (рис.17).
Рис. 17. Структура взаимодействия ОТП и КТС АСУТП
СФП - сенсорные функциональные преобразователи;
МФП - моторные функциональные преобразователи;
ИН - индикаторы;
ЭФФ - эффекторы;
Информация в виде физических сигналов от КТС поступает на СФП, где преобразуется к виду, удобному для управления индикаторами. Под индикаторами понимаются все устройства, способные передавать информацию в виде, пригодном для восприятия: вторичные приборы, сигнальные лампы, информационные и сигнальные табло, экраны дисплее, звонки и т.д.
ОТП воздействует на эффекторы, в качестве которых могут использоваться переключатели, тумблеры, ручные задатчики, кнопки, клавиатура и др. подобные средства ручного воздействия. Ручные воздействия эффекторов преобразуются МФП в сигналы управления ТС воздействия на объект.
Индикаторы и эффекторы могут размещаться на щитах и пультах управления, образуя так называемые сенсорные и моторные поля.
При построении ЭО должны быть соблюдены 3 наиболее важных принципа:
1. Принцип значимости: от главного к второстепенному;
2. Принцип общности информации: одна и та же информация о параметрах ТП должна использоваться для регистрации, сигнализации, управления.
3. Принцип совмещения сенсорных и моторных полей.
Реализуется средствами локальной автоматики путем использования приборов, совмещающих функции контроля и дистанционного управления. Однако размеры сенсорных и моторных полей оказываются значительными всилу сложностей плотной компоновки приборов и их большого количества, т.е. в АСУТП, которая построена на средствах локальной автоматики принцип совмещения полей реализуется лишь формально.
В рамках «традиционных» СУ на локальных средствах эти принципы в большинстве случаев полностью не реализуются, в то время когда в АСУТП на базе ЭВМ реализуются легко и одновременно.
Организационное обеспечение АСУТП
В состав организационного обеспечение (ОО) АСУТП входят в первую очередь: мероприятия по промышленному освоению технологических задач АСУТП; по обучению ОТП; меры, определяющие ответственность и характер взаимоотношений ОТП при функционировании АСУТП.
АСУТП на базе ЭВМ существенно изменяет состав функций ОТП, позволяет радикально усовершенствовать функциональную структуру управления. Эффект такого усовершенствования образуется за счет автоматизации ряда традиционных функций ОТП, а с другой стороны - за счет дополнения управления новыми функциональными возможностями, отсутствовавшими в традиционных локальных СУ.
В обоих случаях изменяются формы взаимодействия с системой автоматизации, отпадает необходимость ручной регистрации параметров и ведения режимных листов и журналов о ходе ТП. Такая регистрация осуществляется автоматически, тем самым ликвидируется субъективность ведения документов.
Наиболее важные автоматизируемые функции регистрации:
- периодическая печать показателей состояния ТП;
- печать сводных ТЭП ТП;
- печать последовательности срабатывания блокировок по стадиям процесса при пуске/останове оборудования;
- печать ведомостей технологических отклонений и нарушений.