Любая система, в том числе и САР, состоит из элементов (звеньев).
Для получения модели системы необходимо определить модели ее
элементов. Элементы и сама система характеризуются входом (вхо-
дами) x(t) и выходом (выходами) y(t). Входы независимы, они «при-
ходят» из внешней среды. При изменении информации на входе
меняется внутреннее состояние объекта (так называют его изменяю-
щиеся свойства) и, как следствие, выходы. Построить модель — это
значит найти оператор, связывающий входы и выходы. С его помо-
щью можно предсказать реакцию объекта на любой входной сигнал.
Для упрощения моделей делают следующие допущения: 1) система и
ее элементы обладают свойством стационарности; 2) элементы си-
стемы являются линейными; 3) протекающие процессы являются
непрерывными функциями времени при выполнении нулевых на-
чальных условий.
Математические модели могут быть получены теоретически из
законов физики (законы сохранения массы, энергии, импульса). Эти
модели описывают внутренние связи в объекте и, как правило, наи-
более точны. В общем случае физическая модель линейной системы
описывается дифференциальным уравнением следующего вида:
где а„ bj — постоянные коэффициенты, зависящие от параметров
системы.
Применим к левой и правой части преобразование Лапласа, счи-
тая, что все начальные условия нулевые:
Таким образом, передаточная функция равна отношению изо-
бражений по Лапласу выходного и входного сигналов при нулевых
начальных условиях.
Передаточная функция является основной математической моде-
лью, полностью описывающей динамические свойства элемента или
системы. На основе передаточной функции можно получить ряд
частных характеристик системы, исследовать на устойчивость и т.д.
В реальных условиях очень часто на вход системы поступают гар-
монические сигналы. Для определения реакции системы на воздей-
ствие гармонических входных сигналов пользуются амплитудно-
фазовой характеристикой (АФХ), которую получают путем замены в
передаточной функции оператора р на jω
.
АФХ представляет собой комплексное выражение, имеющее со-
ответственно амплитуду и фазу:
где Р и Q — вещественная и мнимая части АФХ (при условии
Функция A(iо) называется амплитудно-частотной характери-
стикой (АЧХ), а φ(ω) — фазочастотной характеристикой (ФЧХ).
Чтобы выяснить физический смысл АЧХ и ФЧХ, преобразуем
выражение для АФХ в показательную форму:
Таким образом, АЧХ — это отношение амплитуд выходного сиг-
нала к входному в зависимости от частоты, а ФЧХ — разность фаз
выходного и входного сигналов в зависимости от частоты.
В качестве примера рассмотрим моделирование звена в виде элек-
трической ЛС-цепи (рис. 13.2).
Следовательно, дифференциальное уравнение этого звена запи-
шется в виде
Многие звенья САР независимо от их физической природы описы-
ваются одинаковыми дифференциальными уравнениями, следовательно,
обладают одинаковыми динамическими свойствами. Простейшие звенья
САР, моделируемые дифференциальными уравнениями не выше второ-
го порядка, называются типовыми. Модели типовых звеньев во времен-
ной области и их передаточные функции приведены в приложении 3.
Определение передаточной функции сложной системы, в том
числе САР, производится следующим образом. Структура системы
разбивается на элементы (звенья), передаточные функции которых
либо известны, либо легко определяются. Затем последовательно
объединяют звенья и определяют передаточные функции объединен-
ных звеньев в зависимости от типа их соединения — последователь-
ного, параллельного и с обратной связью.
Последовательное соединение звеньев — это соединение, при
котором выходной сигнал предыдущего звена является входным сиг-
налом для последующего. При таком соединении п звеньев переда-
точная функция объединенного звена равна произведению переда-
точных функций исходных звеньев:
Параллельное соединение звеньев — это соединение, при котором
входной сигнал всех звеньев одинаков, а выходной сигнал представ-
ляет собой сумму выходных сигналов всех звеньев. В этом случае
общая передаточная функция равна сумме передаточных функций
исходных звеньев:
Например, передаточная функция при параллельном соединении
двух звеньев (рис. 13.3, б) равна
Под обратной связью понимают передачу сигнала с выхода звена
на его вход (рис. 13.3, в). Звено Wx(p) называется прямой цепью, а
W2(p) — обратной цепью. Различают положительную и отрицатель-
ную обратные связи. Если Х{(р) - Х(р) - Хос(р), обратная связь от-
рицательная, а при Хх(р) = Х(р) + Хос(р) — положительная. Для
определения общей передаточной функции запишем передаточные
функции исходных звеньев:
Исключая из этих выражений Хос(р) к Хх{р), находим передаточную
функцию звена, охваченного обратной связью:
Знак «+» соответствует отрицательной обратной связи, а знак «-» —
положительной. Положительная обратная связь увеличивает коэф-
фициент передачи и уменьшает полосу пропускания прямой цепи, а
отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент передачи
прямой цепи и увеличивает полосу пропускания. Кроме того, отри-
цательная обратная связь способствует повышению стабильности
коэффициента передачи прямой цепи.
13.3. Устойчивость систем автоматического
регулирования
Устойчивость является одним из необходимых условий, обеспе-
чивающих нормальное функционирование автоматических систем.
В линейных САР при отклонении регулируемого параметра от
заданной величины (например, под действием возмущения или из-
менения задания) регулятор воздействует на систему таким образом,
чтобы ликвидировать это отклонение. Если система в результате
этого воздействия возвращается в исходное состояние или переходит
в другое равновесное состояние, то такая система называется устой-
чивой. Если же возникают колебания со все возрастающей амплиту-
дой или происходит монотонное увеличение ошибки регулирования,
то система называется неустойчивой.
Рассмотрим вопросы исследования устойчивости линейной си-
стемы на примере некоторой САР, описываемой линейным диффе-
ренциальным уравнением с постоянными коэффициентами:
Требуется исследовать устойчивость CAP, иными словами, требу-
ется исследовать устойчивость данного дифференциального уравне-
ния. Самый простой способ — это решить данное уравнение, пред-
ставив решение в виде суммы y(t) = yn(t) +yCB(t), где y(t) — частное
решение дифференциального уравнения с правой частью, характе-
ризующее установившиеся состояние САР, а усв(0 — общее решение
уравнения с нулевой правой частью, определяющее переходные про-
цессы в САР. Следовательно, устойчивость системы будет опреде-
ляться общим решением усв (t) однородного уравнения
Общее решение этого уравнения можно записать в виде
где рi = α,±jβ, — корни характеристического уравнения.
Общее решение yCB(t) будет ограниченным в том случае, если дей-
ствительные части корней характеристического уравнения отрица-
тельны. Таким образом, для устойчивости системы необходимо и
достаточно, чтобы все корни характеристического уравнения
имели отрицательные действительные части.
Если известна передаточная функция линейной САР
то полином знаменателя совпадает с характеристическим уравнени-
ем однородного дифференциального уравнения. Следовательно, для
устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все
корни полинома знаменателя (так называемые полюса передаточной
функции) имели отрицательные действительные части.
Для того чтобы определить, устойчива ли данная система, впол-
не достаточно располагать лишь сведениями о знаке действитель-
ных частей этих корней. Существует целый ряд простых критери-
ев, которые по виду характеристического уравнения или знамена-
теля передаточной функции позволяют судить об устойчивости
системы.
Так, положительность всех коэффициентов а, характеристиче-
ского уравнения является необходимым условием устойчивости
системы. Если хотя бы один коэффициент будет отрицательным или
равным нулю, то можно сразу сказать, что система неустойчива.
Таким образом, неположительность хотя бы одного коэффициента
характеристического уравнения гарантирует неустойчивость систе-
мы, однако обратное, вообще говоря, неверно, т.е. положительность
всех коэффициентов уравнения есть необходимое и достаточное
условие лишь для систем первого и второго порядка.
Уже для систем третьего порядка положительность коэффици-
ентов характеристического уравнения недостаточна для устойчи-
вости системы.
Одним из эффективных методов анализа является критерий Гур-
вица, который определяет необходимые и достаточные условия
устойчивости системы любого порядка. Составляется матрица пхп
Гурвица по следующим правилам.
Первая строка заполняется коэффициентами характеристическо-
го уравнения с нечетными индексами, а вторая — коэффициентами
с четными индексами. Дальнейшие строки отличаются от первой
пары смещением вправо на один, два, три и так далее столбца. Все
коэффициенты с индексами, большими п, заменяются нулями. На-
пример, для полинома пятой степени а0+ ахрх + а2р2+ аъръ+ аАрЛ + a5ps
матрица Гурвица имеет вид
Критерий Гурвица формулируется следующим образом. Все корни
полинома имеют отрицательные вещественные части тогда и только
тогда, когда все п главных миноров матрицы (определителей Гурвица)
положительны. Поскольку для устойчивости полинома необходимо,
чтобы все его коэффициенты были положительными, достаточно
проверить только (n-1) первых определителей Гурвица. Например,
для n = 5 речь идет об определителях
Частотный критерий Найквиста позволяет по амплитудно-
фазовой частотной характеристике (АФЧХ) разомкнутой системы
оценить устойчивость замкнутой системы. АФЧХ может быть полу-
чена экспериментально или аналитически. Аналитическое построение
АФЧХ производится обычными методами.
Для устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно,
чтобы АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты от 0 до ж>
не охватывала точку с координатами -1,/0. Если АФЧХ разомкнутой
системы проходит через точку с координатами -1,j0, то система будет
нейтральной.
Критерий Найквиста позволяет наглядно проследить влияние изме-
нения параметров передаточной функции на устойчивость системы.
13.4. Показатели качества систем автоматического
регулирования
Система автоматического регулирования оценивается устойчивостью,
точностью в установившихся режимах и качеством переходных процес-
сов. Необходимо также, чтобы переходные процессы затухали достаточ-
но быстро с допустимыми отклонениями регулируемой величины.
Оценки качества регулирования могут быть прямыми и косвен-
ными, а также статическими и динамическими. Динамические
оценки характеризуют переходной процесс, а статические — устано-
вившийся режим.
При непосредственном определении качества регулирования на
вход системы подают тестовый сигнал. В качестве тестового сигнала
обычно используют так называемый «единичный скачок» (единичную
функцию), т. е. мгновенное изменение входного сигнала с 0 до 1 в
момент времени t = 0 (рис. 13.4, а). Единичная функция определяет-
ся как
Реакция (выходной сигнал) системы на единичный скачок назы-
вается переходной характеристикой (рис. 13.4, 6) и обозначается
h(t). По переходной характеристике определяются основные показа-
тели качества:
1) время регулирования tp — интервал времени, по истечении
которого отклонение переходной характеристики от установившего-
ся значения не превышает некоторой заданной величины q. Значение
q выбирают обычно равным 5 или 2 % от установившегося значения
2) перерегулирование — разность между максимальным значени-
ем hmm переходной характеристики и ее установившимся значением,
выраженная в процентах от установившегося значения:
В большинстве случаев требуется, чтобы перерегулирование не
превышало 10...30%;
3) колебательность — число колебаний за время регулирования;
допускается не более 2...3 колебаний;
4) статическая ошибка
где х — задание; hуС| — установившееся значение регулируемого па-
раметра.
Если принять, что х = 1, статическая ошибка равна ∆ = 1 — hуст.
Кроме этих параметров по графику переходной характеристики
определяют время нарастания переходного процесса tH и время до-
стижения первого максимума /тах.
Существует две разновидности интегральной оценки качества САР.
Интегральная абсолютная ошибка регулирования определяется
следующим выражением:
Эта оценка может быть применена только при монотонных пере-
ходных процессах при отсутствии колебаний. Интегральная квадра-
тичная оценка применяется как при монотонных, так и при коле-
бательных переходных процессах и определяется следующим соот-
ношением:
Недостаток квадратичной интегральной оценки заключается в том,
что различные по характеру переходные процессы могут иметь одну
и ту же величину оценки.
Наряду с прямыми показателями качества, определяемыми по
переходной характеристике, используются косвенные показатели, в
частности корневые оценки качества.
Многие свойства системы можно предсказать, посмотрев на рас-
положение корней характеристического полинома на комплексной
плоскости. Прежде всего все корни для устойчивой системы должны
находиться в левой полуплоскости, т. е. слева от мнимой оси.
Быстродействие системы определяется степенью устойчиво-
сти η — так называется расстояние от мнимой оси до ближайшего
корня (или пары комплексно-сопряженных корней). Этот корень
называется доминирующим, он определяет самые медленные движе-
ния в системе и время переходного процесса, которое может быть
примерно рассчитано по формуле
Степень устойчивости, несмотря на название, ничего не говорит
о близости системы к границе устойчивости, она только характери-
зует быстродействие.
Параметр, определяющий скорость затухания колебаний в систе-
ме, называется колебательностью. Колебательность ц для пары
комплексно-сопряженных корней α ± jβ вычисляется как отношение
мнимой и вещественной части корня (по модулю):
Чем больше эта величина, тем слабее затухают колебания, вы-
званные этими корнями, за один период колебаний.
При проектировании систем обычно требуется обеспечить бы-
стродействие не ниже заданного (степень устойчивости не меньше
заданной η mjn) и колебательность не выше заданной μтах.
1. Назовите основные принципы управления.
2. Какой принцип управления используется в САР?
3. Как классифицируются САР?
4. Назовите основные законы регулирования.
5. Охарактеризуйте понятие «передаточная функция».
6. Как определяются амплитудно- и фазочастотная характеристики?
7. Назовите основные типовые звенья динамических систем.
8. Какая обратная связь является отрицательной, а какая — положитель-
ной?
9. Объясните критерий Гурвица.
10. Как определяется переходная характеристика?
11. Назовите основные показатели качества САР.
Гл а в а 14
СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫАВТОМАТИЗАЦИИ
14.1. Структура и виды современных АСУ ТП
Автоматизированная система управления технологическим
процессом (АСУ ТП) — это комплекс программных и технических
средств, предназначенный для автоматизации управления техноло-
гическим оборудованием на предприятиях. Под АСУ ТП обычно
понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию
основных технологических операций на производстве в целом или
каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный про-
дукт. Слово «автоматизированная» означает, что система управления
не полностью автономна (самостоятельна) и требует участия челове-
ка (оператора) для реализации определенных задач. Напротив, си-
стемы автоматического управления, рассмотренные во введении,
предназначены для работы без какого-либо контроля со стороны
человека и полностью автономны. В этом заключается принципиаль-
ная разница между АСУ и САУ.
Все АСУ ТП делятся на три больших класса. Во-первых, PLC-систе-
мы (Programmable Logic Controller). На русский язык это перево-
дится как «программируемый логический контроллер» (или сокра-
щенно ПЛК). Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный
модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления,
хотя этот термин имеет также более общее значение и часто исполь-
зуется для обозначения целого класса систем. Во-вторых, SCADA-
системы (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык
этот термин переводится как «система телемеханики», «система теле-
метрии» или «система диспетчерского управления и сбора данных».
Последнее определение точнее всего отражает сущность и назначение
системы — контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера.
В России термин SCADA часто используется в более узком смысле:
программный пакет визуализации технологического процесса. Одна-
ко в данном учебном пособии под словом SCADA понимается целый
класс систем управления. В-третьих, распределенные системы управ-
ления (РСУ), или в английском варианте DCS (Distributed Control
System). Естественно, такая классификация является достаточно
условной, так как в последние годы внедряются гибридные системы,
которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одно-
му, так и к другому классу
PLC-системы
Основным компонентом этих систем является программируемый
логический контроллер. Системы класса PLC наиболее подходят для
управления последовательностью технологических операций в про-
цессе изготовления какого-либо изделия. Как правило, эти операции
носят дискретный характер и требуют очень быстрой реакции со
стороны автоматики. Типовые задачи систем PLC: управление кон-
вейерными производствами; управление робототехникой; высоко-
скоростное управление приводами; управление позиционирующими
устройствами; сигнализация; оповещение. Для систем PLC характер-
но то, что они не требуют непрерывного контроля со стороны дис-
петчера (в отличие от других систем), достаточно периодической
проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского) управле-
ния сводится, как правило, к установке кнопочного пульта управле-
ния для запуска/останова того или иного технологического участка
и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени
система PLC работает без надзора со стороны человека, в автомати-
ческом (автономном) режиме, т.е. по сути PLC приближается к
САУ.
Структура системы PLC довольно проста: один или несколько
программируемых логических контроллеров, объединенных в единую
сеть (например, стандарта Industrial Ethernet) с помощью цифровой
шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут взаимо-
действовать друг с другом, что необходимо для их согласованной
работы. При необходимости к системе можно также подключить пульт
локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью для простей-
шего локального управления и отображения аварийных сигнализа-
ций). Как правило, система структурирована так, что каждая техно-
логическая установка управляется своим контроллером.
Контроллеры имеют электрические входы/ выходы для подключе-
ния к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов
(клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов),
устройств оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов
может быть как фиксированным, так и расширяемым с помощью
дополнительно подключаемых модулей. Электрический сигнал, по-
ступающий с датчика, в подсистеме ввода/ вывода контроллера ин-
терпретируется как измерение определенной физической величины
(температуры, давления и т.п.), потом сигнал оцифровывается (пере-
водится из аналоговой формы в цифровую, двоичную). В цифровой
форме сигнал обрабатывается в контроллере. Подсистема ввода/вы-
вода работает и в другом направлении. Получив от контроллера
управляющую команду, подсистема ввода/вывода переводит ее из
цифровой формы в электрическую аналоговую. Сформированный
электрический сигнал по кабелю подается на соответствующий ис-
полнительный механизм. Модули различаются по типу электриче-
ского сигнала, с помощью которого они взаимодействуют с полевы-
ми приборами, и по направлению передачи сигнала. Если к модулю
подключается датчик, то модуль осуществляет ввод сигнала в систему
и называется модулем ввода', если подключается исполнительный
механизм, то модуль выводит управляющее воздействие из системы
и называется модулем вывода.
Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него програм-
му управления по следующему циклу: считывание сигналов с датчи-
ков, математическая обработка данных в соответствии с определен-
ным алгоритмом, формирование управляющего воздействия и его
передача на исполнительные механизмы. При этом требуется высокое
быстродействие — время выполнения всего цикла составляет не бо-
лее 10...20 мс.
Для систем класса PLC характерны следующие особенности:
1) высокоскоростное управление дискретными операциями; 2) прак-
тическое отсутствие операторского уровня (высокая степень автоном-
ности); 3) быстрая реакция на дискретные события; 4) жесткая вре-
менная синхронизация работы нескольких узлов.
Также для систем PLC характерна работа в реальном времени.
Понятие реального времени в системах автоматизации включает
жесткое задание времени реакции системы на различные события
на объекте управления (замыкание/размыкание контактов, повы-
шение/понижение технологических параметров). При этом превы-
шение времени реакции системы управления может рассматривать-
ся как ее неисправность, так как потенциально может привести к
аварийной ситуации на объекте управления.
Разработка, отладка и исполнение программ управления для
PLC осуществляются с помощью специализированного программ-
ного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому
классу инструментального ПО относятся пакеты ISaGRAF (CJ
International) — Франция/США, Conrol (Wonderware) — США,
Paradym 31 (Intellution) — США и другие.
SCADA-системы
Предшественниками SCADA-систем были так называемые теле-
метрические системы для дистанционного мониторинга небольшо-
го числа параметров. По мере усложнения задач автоматизации и
развития вычислительных технологий количество контролируемых
параметров возрастало. Одновременно возрастало количество оши-
бок диспетчера на потенциально опасных объектах, приводящих
при возникновении аварий к человеческим жертвам, а также к зна-
чительному материальному и экологическому ущербу. Причиной
этого была ориентация в первую очередь на применение новейших
технических (технологических) достижений, стремление повысить
степень автоматизации и функциональные возможности системы и
в то же время недооценка необходимости построения эффективно-
го человекомашинного интерфейса (HMI, Human — Machine
Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя
(оператора). Однако, как показала практика, для построения эф-
фективных и надежных систем диспетчерского управления необхо-
димо применение нового подхода при разработке таких систем:
human-centered design (или top — down, сверху вниз), т.е. ориента-
ция в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его
задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося под-
хода hardware-centered (или bottom — up, снизу вверх), в котором
при построении системы основное внимание уделялось выбору и
разработке технических средств (оборудования и программного обе-
спечения).
Концепция SCADA позволяет строить эффективный человеко-
машинный интерфейс. Дружественность этого интерфейса в SCADA-
системах, полнота и наглядность представляемой на экране инфор-
мации, простота управления, удобство пользования подсказками и
справочной системой и т.д. повышает эффективность взаимодей-
ствия диспетчера с системой и сводит к минимуму его критические
ошибки при управлении.
Классическими объектами управления с применением SCADA-
систем являются нефтепроводы^ газопроводы, водопроводы, удален-
ные электрораспределительные подстанции и т.д. SCADA-системы
с точки зрения процесса управления имеют некоторые характерные
особенности: 1) в них обязательно наличие человека (оператора, дис-
петчера); 2) любое неправильное воздействие может привести к от-
казу (потере) объекта управления или даже катастрофическим по-
следствиям; 3) диспетчер несет, как правило, общую ответственность
за управление системой, которая при нормальных условиях только
изредка требует подстройки параметров для достижения оптималь-
ного функционирования; 4) большую часть времени диспетчер пас-
сивно наблюдает за отображаемой информацией, его активное уча-
стие в процессе управления происходит нечасто, обычно в случае
наступления критических событий — отказов, аварийных и нештат-
ных ситуаций и пр.; 5) действия диспетчера в критических ситуациях
могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами
или даже секундами).
Применение SCADA-системы добавляет дополнительный верхний
уровень автоматизации над уровнем PLC. Таким образом, эти АСУ
ТП — двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реа-
лизуется непосредственное управление технологическими процес-
сами.
Специфика каждой конкретной системы управления определяет-
ся используемой на каждом уровне программно-аппаратной плат-
формой.
Нижний уровень — уровень объекта (контроллерный) — включа-
ет различные датчики для сбора информации о ходе технологическо-
го процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реа-
лизации регулирующих и управляющих воздействий. Так как инфор-
мация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично
используется на месте, существенно снижаются требования к про-
пускной способности каналов связи. Информация с локальных кон-
троллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непо-
средственно, а также через контроллеры верхнего уровня.
Верхний уровень — диспетчерский пункт (ЦП) — включает прежде
всего одну или несколько станций управления, представляющих со-
бой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/операто-
ра. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM
PC различных конфигураций. К основным задачам, решаемым
SCADA-системами на верхнем уровне управления, относятся: 1) сбор
первичной информации от устройств нижнего уровня, причем этими
устройствами могут быть как промышленный контроллер, так и
плата ввода/вывода; 2) ведение базы данных реального времени с
технологической информацией с возможностью ее последующей об-
работки; 3) отображение (визуализация) информации на экране
монитора в понятной для человека форме в виде мнемосхем, графи-
ков и отчетов с возможностью ограниченного управления техноло-
гическим процессом.
Дополнительные задачи, решаемые SCADA-системами: 1) аварий-
ная сигнализация и управление тревожными сообщениями; 2) под-
готовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
3) архивирование технологической информации (сбор истории);
4) обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электрон-
ными таблицами, текстовыми процессорами и т.д.).
Для решения этих и некоторых других задач у всех современных
SCADA-систем имеются следующие основные компоненты:
1) сервер ввода/вывода, обеспечивающий передачу данных между
физическими устройствами ввода/вывода и остальными модулями
SCADA-системы;
2) база данных реального времени, которая собирает, хранит и
отдает информацию по требованию других компонентов;
3) клиент визуализации, обеспечивающий операторский интер-
фейс: отображает данные, поступающие от других модулей SCADA-
системы, и управляет выполнением команд оператора;
4) сервер тревог (алармов), который отслеживает данные, сравни-
вает их с допустимыми пределами, проверяет выполнение заданных
условий и отображает алармы на соответствующем узле визуализа-
ции;
5) сервер трендов, который собирает и регистрирует трендовую
информацию, позволяя отображать развитие процесса в реальном
масштабе времени или в ретроспективе в виде графиков;
6) сервер отчетов, генерирующий отчеты по истечению опреде-
ленного времени, при возникновении определенного события или
по запросу оператора.
Как правило, программный пакет SCADA состоит из двух частей:
среды разработки, где инженер рисует и программирует технологи-
ческие мнемосхемы, и среды исполнения, необходимой для выпол-
нения сконфигурированных мнемосхем в режиме повседневной
эксплуатации.
Управляющие системы SCADA строятся с использованием аппа-
ратной и программной технологий разных производителей и COTS-
технологий, нормативная база которых развивается и поддерживается
как в рамках международных (IEC/МЭК, ISO), так и национальных
(ANSI, DIN, IEEE, ГОСТ) организаций по стандартизации. Про-
граммные продукты класса SCADA широко представлены на мировом
рынке. Это несколько десятков SCADA-систем, многие из которых
разрабатываются и в России. Наиболее популярные из них: InTouch
(Wonderware) — США; Citect (CI Technology) — Австралия; Genesis
(Iconics Co) — США; Factory Link (United States Data Co) — США;
TraceMode (AdAstrA) — Россия.
14.1.3. Распределенные системы управления
Концепция PLC/ SCADA-систем была выработана в поисках спо-
собов организации управления на распределенных предприятиях,
занимающихся добычей, транспортировкой нефти и газа, доставкой
электроэнергии и т. п., и отличалась преобладанием дискретного
управления. Распределенные системы управления (РСУ) изначально
были ориентированы на задачи обрабатывающей промышленности,
в которых преобладали задачи непрерывного управления, что требо-
вало больших вычислительных ресурсов и более сложных и дорогих
компонентов систем автоматизации. Однако с ростом вычислитель-
ной мощности микропроцессоров возможности PLC значительно
выросли и области применения обеих систем пересеклись. Управ-
ляющие системы на базе PLC/SCADA по функциональности при-
ближаются к РСУ, например, включают локальное управление с
обратной связью, оптимизацию технологических процессов и анализ
данных. В свою очередь, предлагаемые РСУ трудноотличимы от их
SCADA-аналогов.
Для большинства РСУ характерна трехуровневая модель построе-
ния.
На нижнем уровне, уровне ввода/вывода, располагаются полевые
приборы (датчики, сенсоры, исполнительные механизмы), которые
с помощью электрических кабелей подключаются к подсистеме по-
левого ввода/вывода (IO), которая состоит из аппаратных модулей
ввода/ вывода.
На среднем уровне находятся контроллеры (CPU). На этом уров-
не решаются задачи, совпадающие с задачами PLC по обработке
поступающей из подсистемы ввода/вывода информации, и выдача
обратно управляющих воздействий. Для решения сложных задач
контроллеры могут обмениваться между собой данными, используя
цифровые коммуникационные сети, например Industrial Ethernet.
В РСУ применяется полное резервирование модулей, в том числе и
питания. Пара контроллеров, синхронно выполняющих одну и ту же
программу управления и страхующих друг друга, называется «резер-
вированной парой».
Верхний уровень — это уровень операторского управления, объ-
единяющий серверы и операторские рабочие станции, и выполняю-
щий функции, сходные со SCADA-системами. Часто в системе вы-
деляют инженерную станцию ES {engineering station). На ней уста-
навливаются программные средства разработки, с помощью которых
технический специалист может централизованно вносить изменения
и дополнения в конфигурацию системы. Часто ES дополняют рас-
ширенными средствами диагностики состояния системы.
В отличие от PLC/SCADA в РСУ все три уровня обычно выпол-
няются на оборудовании одного производителя и программируются
в одной единой системе. РСУ-система управления отличается высокой
децентрализацией обработки данных, при этом часть задач управле-
ния может быть вынесена даже на уровень датчиков и исполнительных
механизмов и оставаться работоспособной в отрыве от контроллер-
ного уровня.
Сферы применения РСУ многочисленны: нефте- и газоперера-
ботка, химия, нефтехимия, энергоснабжение, металлургия и т.п.
Программные продукты класса РСУ широко представлены на
мировом рынке. Наиболее популярные из них: DeltaV {Emerson
Process Managment); I/A Series {Foxboro); CENTUM CS 3 000
{Yokogawa).
14.2. Промышленные сети передачи данных
14.2.1.