книги / Проектирование и эксплуатация автоматизированных систем диспетчерского управления объектами критической инфраструктуры современного города

управления, не являются редкостью ИУС, построенные на основе уровней TL0 и TL1. Чаще всего это распределенные системы управления, например, системы автоматизации зданий, объектов ЖКХ или системы управления транспортными потоками. Программное обеспечение контроллерного уровня в некоторых случаях позволяет также создавать несложные интерфейсы оператора, но так как эти интерфейсы являются встроенными в контроллеры и другое сетевое оборудование, то доступ к ним можно получить лишь локально (потому эти средства и называются локальным HMI), что не слишком удобно. Кроме того, функционал этих HMI весьма ограничен.

Диспетчерский уровень, или уровень локальной сети управления (LCN) TL2 состоит из ЛВС и компьютеров, выполняющих роль ПК оператора, т.е. реализующих функции HMI. Также этот уровень называют уровнем управления участком производства. HMI на этом уровни чаще всего реализуется на основе ПО, разработанного в SCADA-пакете, хотя в качестве средств разработки могут использоваться и универсальные средства программирования для языков высокого уровня, например C/C++. Кроме того, HMI может быть реализован на основе вебтехнологий. Объединение компьютеров в сеть позволяет наблюдать за ходом технологического процесса с любого из них, что повышает вероятность того, что сбой или аварийная ситуация будет вовремя обнаружена. Помимо мониторинга ПК оператора могут вести журналы и отчеты тревог и осуществлять функции управления технологическим процессом (обычно, управлять ходом технологического процесса можно со строго определенных компьютеров, принадлежащих операторам с соответствующими полномочиями). В том случае, если система управления построена по принципу SCADA, то на данном уровне на ПК оператора, выполняющих роль локальных HMI, работают клиентские модули HMI – Remote Terminal Unit (RTU), передающие информацию серверу (MTU) на уровень управления производством.

Уровень управления производством или цехом (PCN) TL3 обычно служит для интеграции управления технологическими процессами и управления производством. Этот уровень так же, как и предыдущий, строится на основе вычислительной сети, и в нем также есть ПК, выполняющие функции HMI. Однако HMI данного уровня называется основным, поскольку он выполняет функции мониторинга и контроля за ходом технологического процесса и оборудованием промышленной сети. Поскольку оборудование, на котором строится промышленная сеть,

12

в плане надежности мало чем отличается от любого другого оборудования, то промышленная сеть сама может быть рассмотрена в качестве объекта управления. Поскольку ИУС сама может выйти из строя, тем самым сделав ОУ неуправляемым, то возникает задача контроля состояния промышленной сети, т.е. задача, аналогичная той, что решается при помощи HMI. Системы, позволяющие отслеживать состояние ИУС,

называются системами управления и менеджмента – СУМ. Зачастую введение СУМ в проект может потребовать покупки дополнительного оборудования и программного обеспечения, предназначенного для работы только в СУМ и не выполняющего функций ИУС, но это не всегда так. Многие разработчики ПО, предназначенного для создания HMI для ИУС (чаще всего разработчики SCADA-пакетов), предусматривают потребность потребителя в создании СУМ.

Помимо функций HMI ПО уровня TL3 выполняет архивирование данных о ходе технологического процесса (сервера СУБД на рис 1.1). В том случае, если система управления построена по принципу SCADA, то на данном уровне работает сервер SCADA (Master Terminal Unit – MTU), принимающий информацию от клиентских модулей RTU, работающих уровнем ниже в режиме реального времени.

Вфункции АСУП (автоматизированной системы управления предприятием) не входит непосредственный контроль за ходом производственного процесса, а они заключаются в организации деятельности предприятия в целом. Основными задачами АСУП являются:

– ERP (Enterprise Resource Planning) – планирование ресурсов предприятия;

– MRP (Manufacturing Resource Planning) – планирование ресурсов технологических подразделений предприятия;

– MES (Manufacturing Execution Systems) – управление производ-

ственными ресурсами;

– HRM (Human Resource Management) – управлениеперсоналом;

– EAM (Enterprise Resource Management) – управление основными фондами предприятия.

Втом случае, когда доступ к функциям АСУП предоставляется не только локальным, но и удаленным пользователям, например, руководству компании, которое может находиться в другом государстве, уровень управления производством PCN расширяется за счет подключения АИУС

кглобальной (WAN) или транспортной (TN) сети. Кроме того, с ростом числа мобильных устройств (смартфонов, коммуникаторов, планшетных

13

ПК и других устройств) становится актуальной возможность подключения к сети предприятия мобильных пользователей. Причем современные SCADA-пакеты, такие как, например, Trace Mode, уже поддерживают создание модулей ПО, реализующих функции АСУП, для мобильных устройств. Однако в связи с подключением удаленных пользователей через транспортные и глобальные сети и особенно Internet возникает множество проблем, связанных с качеством связи ибезопасностью.

1.2. ОБЗОР ОСНОВНЫХ УНИВЕРСАЛЬНЫХ FIELDBUS-ТЕХНОЛОГИЙ

На данный момент на рынке насчитывается более 50 различных fieldbus-технологий, каждая из которых имеет свои недостатки и преимущества. Ниже рассмотрены наиболее популярные в Российской Федерации универсальные fieldbus-технологии по состоянию на 2011 год.

Стандарты PROFIBUS и PROFINET

PROFIBUS и PROFINET предлагают стандартизированные, cогласованные решения прикладных задач. Благодаря стандартному протоколу PROFIBUS используется во всех подсистемах автоматики производства и процесса, включая системы обеспечения безопасности и управления приводной техникой, что гарантирует горизонтальную согласованность всей системы автоматизации. PROFINET также предлагает стандартный протокол, который в дополнение к горизонтальным коммуникациям обеспечивает и вертикальные, связывая полевой уровень с уровнем управления предприятием. Таким образом, на основе данных коммуникационных систем возможно создание межсетевых, интегрированных решений для определенных задач автоматики.

С 1989 года PROFIBUS развился в лидирующую в мире полевую шину, используемую в системах автоматизации производств и процессов. Широта возможных применений выделяет PROFIBUS среди других полевых шин. Требования, специфичные для различных задач, были интегрированы в профили приложений.

PROFIBUS является стандартизированной и открытой коммуникационной системой. Использование открытых стандартов гарантирует долгосрочную совместимость и расширяемость, что является основой для защиты вложений пользователей и производителей. Защита вложе-

14

ний является одной из важнейших задач PROFIBUS & PROFINET

International.

Первые проприетарные полевые шины появились на рынке в 80-х годах. В 1987 году 21 компания и институт объединились для создания совместного проекта с целью разработки и тестирования открытого стандарта полевой шины. Этот проект стал отправной точкой создания PROFIBUS. После завершения совместного проекта для продолжения ра-

боты в 1989 году была создана PROFIBUS NETWORK ORGANIZATION (PNO). Организация включала в себя 10 компаний, 4 научных института

и ZVEI (Zentralverband der Elektrotechnik und Elektronikindustrie – Ассоциа-

ция немецких производителей электротоваров и электроники). Двумя годами позже организация уже включала в себя 100 членов. По состоя-

нию на 2010 год в организации PROFIBUS & PROFINET International,

созданной в 1995 году, уже около 1400 членов. PI имеет 27 региональных представительств по всему миру. Общая цель – непрерывное продолжение разработки и распространение технологий PROFIBUS

иPROFINET. В мире уже установлено свыше 30 миллионов устройств PROFIBUS, что и делает этот стандарт мировым лидером на рынке промышленных систем коммуникации.

Успех PROFIBUS определяется использованием передовых технологий и успешной деятельностью организации, которая была создана для представления интересов производителей и пользователей.

Вдополнение ко многим мерам, предпринимаемым для развития

ираспространения технологии, существует также глобальный сервис поддержки для членов организации. Организация проводит консультирование, предоставляет информацию и предпринимает меры для обеспечения гарантии качества и соответствия стандартам продукции ее членов. PI образует наибольшее в мире объединение пользователей в области промышленных коммуникаций, что предоставляет возможности для будущего, но и налагает определенные обязательства. Возможности существуют в создании и распространении ведущих на рынке технологий, которые дают несомненную выгоду своим пользователям, а обязательства – в том, чтобы поддерживать цели PROFIBUS, открытость и защиту инвестиций в будущем.

Стоит отметить, что коммуникационный протокол может использоваться совместно с множеством специфичных для задачи технологических модулей, которые совместимы друг с другом. Это обеспечивает полную согласованность с широким кругом задач. С таким «блоком для

15

построения системы» технологии автоматизации могут применяться в любых областях производства и промышленности, даже связанных с обеспечением безопасности. Ядром подобного блока является комму-

никационный протокол PROFIBUS DP (Decentralized Periphery – рас-

пределенная периферия), который одинаков для любых задач и используется для обмена данными между централизованными устройствами автоматизации и распределенными полевыми устройствами.

В зависимости от задачи доступен ряд различных технологий передачи данных. Стандарт RS485 предназначен для использования в производстве и промышленности в задачах, не требующих взрывозащиты. RS-485-IS (Intrinsically Safe – искробезопасный) применяется во взрыво-

опасных зонах. MPB (Manchester coded Bus Powered) и MPD-IS – техноло-

гии передачи, специально ориентированные на применение в перерабатывающей промышленности и способные обеспечивать электропитанием устройства, подключенные к шине в дополнение к передаче данных. Также доступны несколько технологий передачи данных по оптическим каналам.

Профили приложений PROFIBUS созданы для стандартизации процесса обмена данными между полевыми устройствами на пользовательском уровне. Использование этих профилей гарантирует возможность взаимодействия между полевыми устройствами различных производителей. Профили определяют типичные для задачи возможности устройства, и устройства PROFIBUS должны им соответствовать. Существуют общие для нескольких классов устройств возможности, а также специфичные для классов. Полевые устройства с различными профилями приложений могут работать в одной системе автоматизации. Простые устройства с универсальной функциональностью (например, распределенное устройство бинарного ввода-вывода) обычно не используют профили приложений. Дополнительно к возможностям передачи данных блок обеспечивает необходимые инженерные технологии для описания устройства (идентификации) и интеграции.

Стандарт MODBUS

Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в её контроллерах с программируемой логикой. Впервые спецификация протокола была опубликована в 1979 году [10]. Это был открытый стандарт, описывающий формат сообщений и способы их передачи в сети, состоящей из различных электронных устройств.

16

PNRPU

Первоначально контроллеры MODICON использовали последовательный интерфейс RS-232 [1]. Позднее стал применяться интерфейс RS-485, так как он обеспечивает более высокую надёжность, позволяет использовать более длинные линии связи и подключать к одной линии несколько устройств. Многие производители электронного оборудования поддержали стандарт, на рынке появились сотни использующих его изделий. В настоящее время развитием Modbus занимается некоммерческая организация Modbus-IDA [12].

Стандарты MODBUS состоят из 3 частей:

–Документ Modbus Application Protocol содержит спецификацию прикладного уровня сетевой модели OSI.

–Документ Modbus over serial line содержит спецификацию канального и физического уровней сетевой модели OSI для физических уровней RS485 и RS232. В принципе может использоваться любой физический уровень, основанный на асинхронном приемопередатчике.

–Документ MODBUS Messaging on TCP/IP Implementation Guide

содержит спецификацию ADU для транспорта через TCP/IP стек. Основные достоинства стандарта – открытость и массовость.

Огромное количество датчиков и исполнительных устройств выпущено промышленностью. Практически все промышленные системы

контроля и управления имеют программные драйверы для работы

сMODBUS-сетями.

Кнедостаткам стандарта можно отнести то, что стандарт в своей основе был разработан в 1979 году компанией Modicon (в данное время владелец Schneider Electric) [3] с учетом потребностей и вычислительных возможностей того времени, и многие актуальные для современных промышленных сетей вопросы не были учтены.

Стандарт специфицирует метод передачи только двух типов данных. Отсутствие четкого указания в стандарте привело к тому, что

сдругими типами данных сторонние производители MODBUS-реше- ний поступали по своему усмотрению. Разброд де-факто в этом вопросе не позволил впоследствии сделать уточнения в официальном документе: это вызвало бы всплеск недовольства производителей и возможную войну форматов.

Стандарт не позволяет никакой оперативной сигнализации от конечного устройства к мастеру в случае необходимости (прерывания). Нужно ждать своей очереди в опросе. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решенийв системах управления реальноговремени.

17

Стандарт не позволяет конечным устройствам обмениваться фиксированными данными друг с другом без участия мастера. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах регулирования реального времени.

Стандарт не предлагает никаких решений по начальной инициализации системы. Назначение сетевых адресов и прописывание в системе параметров каждого конкретного устройства выполняются вручную.

Необходимо отметить, что отсутствие данных возможностей упрощает протокол и делает его более простым для изучения, что ускоряет его внедрение. Данные особенности в какой-то мере являются и достоинствами стандарта.

1.3. ОБЗОР СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ FIELDBUS-ТЕХНОЛОГИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЗДАНИЙ

И СООРУЖЕНИЙ

Наряду с универсальными решениями в области построения АСДУ ОКИ наибольшую популярность приобрели несколько (менее десятка) специализированных технологий, позволяющих строить системы автоматизации как зданий, так и жилищ. Однако некоторые технологии из этого десятка функционируют на основе одного и того же коммуникационного протокола (который фактически и является главным отличием одной технологии от другой), отличаясь лишь незначительно; поэтому целесообразно будет выделить несколько наиболее популярных конкурирующих технологий, работающих по разным принципам и протоколам, и на их примере выяснить, какой подход является наиболее перспективным при построении АСДУ ОКИ. В качестве примера рассмотрим технологии BACnet, KNX (или EIB) и LONWorks (сокр. LON) – как три самые известные на отечественном и зарубежном рынках автоматизации зданий.

Стандарт EIB (European Installation Bus)

Как уже следует из самого названия, EIB была создана усилиями европейских компаний. Произошло это сравнительно недавно – в 1990 году. Тогда ведущие электротехнические фирмы решили объединиться для создания протокола, призванного обеспечить энергосберегающие, безопасные и надежные алгоритмы управления инженерным оборудованием здания. Сеть EIB отличается простой, наглядной иерархической структурой, созданной специально для схемотехники зданий. Узлы сети

18

объединяются в линии, зоны и области. Линии отделяются друг от друга с помощью коммутационного устройства. Каждая из 15 возможных областей в свою очередь разветвляется на выходе на 15 линий. Каждая линия может содержать 256 устройств, то есть максимально возможное количество устройств, подключенных в одном проекте, составляет 57 600. Классическое соединение устройств происходит посредством двухпроводной линии. Скорость обмена информацией – 9600 Бит/с, максимальная длина кабеля (без регенерации сигнала) не должна превышать 1000 м, причем максимальное расстояние между двумя узлами должно быть не больше 700 м. Основной тип кабеля имеет марку J-Y (ST) 2× 2× 0,8 и соответствует DIN VDE 0815. Доступ к среде передачи обеспечивается по протоколу CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий). Другие физические среды для объединения устройств будут рассмотрены ниже. Обмен информацией происходит с помощью информационных кадров (телеграмм). Один информационный кадр содержит контрольное поле, поле адреса, 1–16 байтов данных, а также 1 байт защиты информации. В сети EIB адресатами могут быть отдельные устройства, группы устройств или все устройства одновременно. Следует различать физическую и групповую адресацию. Физическая адресация однозначно идентифицирует устройство EIB в системе. Чтобы обеспечить работу устройства EIB в системе, необходимо запрограммировать его физический адрес. Как только адрес прописан (это может делаться предварительно до монтажа на объекте), устройство можно однозначно идентифицировать, обратиться к нему и получить конфигурационные данные (параметры, групповой адрес). Дальше начинается взаимодействие устройств на шине. Например, считывая положение выключателя, можно управлять освещением или температурой в помещении. Таким образом, например, уходя из дома, можно выключить источники света во всех комнатах и перевести отопление в дежурный энергосберегающий режим, то есть создавать и обеспечивать различные сценарии проживания в доме.

Идея создания EIB исходила от электротехнических компаний. Поэтому в первую очередь новые устройства легко встраивались в электропроекты (управление светом, жалюзи). И хотя сегодня номенклатура выпускаемых изделий покрывает все возможные случаи применения для различных инженерных систем, по-прежнему (по крайней мере на российском рынке) есть заблуждение о том, что EIB не приспособлена для решения задач управления климатом. Это совсем не так. С одной

19

стороны, пионеры EIB (ABB, Gira, Siemens) выпускают управляемые термоголовки, комнатные термостаты, погодные станции, датчики протечек, влажности и пр. С другой стороны, производители различного инженерного оборудования включают в номенклатуру своих изделий управляющие модули EIB для подключения в единую интеграционную сеть здания. Например, Buderus в составе управляющей системы для котлов Logomatic разработал специальный узел FM446, подключаемый непосредственно на шину EIB. Весной 2003 года на выставке во Франкфурте «ISH-2003» практически все ведущие компании демонстрировали подобные решения. Особой популярностью также пользовались системы управления климатом с мобильного телефона (опять же зачастую

сиспользованием EIB).

ВРоссии рынок EIB находится в стадии развития и формирования. Уже многие компании используют шину EIB в своих интеграционных проектах. Но пока еще не так много западных производителей представлено на рынке. По существу, приходится выбирать между ABB, Gira, Siemens или Merten. Стоимость устройств остается достаточно высокой, и практически все устройства привозятся «под заказ» со сроком поставки 6–8 недель. Это значительно затрудняет развитие проектов. Надеемся, что в ближайшие год-два ситуация будет меняться в пользу потребителя, когда и в проектах среднего бюджета можно будет применить управление на базе шины EIB. Должна расшириться и сфера применения EIB. Пока еще у многих потребителей существует стойкое убеждение, что EIB – система для частного строительства (квартиры и коттеджи). Хотя опыт ведущих российских компаний свидетельствует об успешном применении ее в проектах различного масштаба. Популяризация этой информации – одна из важных задач настоящего времени.

Одним из самых больших недостатков технологии EIB является высокая стоимость решений. Например, счет за автоматизацию небольшой квартиры может легко перевалить за 10 000 долл. При расчете решений на базе EIB нужно ориентироваться на стоимость 80–120 долл. за м2.

Стандарт KNX

Стандарт KNX появился путем соединения нескольких европейских шинных систем. Среди них хорошо известная Европейская инсталляционная шина EIB (European Installation Bus), которая с 1992 года успешно начала завоевывать рынок. Популярность стандарта EIB привела к тому, что именно на его базе в мае 1999 года произошло слияние трех

20