книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Дополнительные преимущества, которые обеспечивают значительную экономию при применении полевой шины, следующие:

1)сокращение затрат на запуск и ввод в эксплуатацию;

2)объединение информации в масштабах производства с целью обеспечения своевременного к ней доступа;

3)автоматизация производственных функций;

4)сокращение эксплуатационных издержек и затрат на техническое обслуживание (дистанционная диагностика, поиск неисправностей, запасные части);

5)сокращение количества ошибок в технологическом процессе, упрощение технического обслуживания с прогнозированием;

6)обеспечение повышения качества и безопасности;

7)максимальное увеличение продолжительности функционирования производства.

Полученные результаты экономии от применения полевой шины набуровой Уэст-Сэйк (Аляска) представлены в табл. 1.9, 1.10.

Сформулируем некоторые основные требования, которые можно предъявить к идеальной СА:

♦производительность;

♦предсказуемость времени доставки информации (как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации – характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных);

♦помехоустойчивость;

♦доступность и простота организации физического канала передачи данных;

♦максимальный сервис для приложений верхнего уровня;

♦минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров;

♦возможность получения распределенного интеллекта путем предоставлениямаксимальногодоступакканалунесколькимведущимузлам;

♦управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

32

Таблица 1 . 9

Экономический эффект от применения полевой шины набуровой Уэст-Сэйк

Как видно, в получившемся списке первое требование противоречит второму, третье – четвертому и т.д. Более того, подобные противоречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проектирования, начиная с того, какой формат пакета передачи

33

данных выбрать: тот, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или тот, который обеспечит максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов? Что лучше: применить не самое современное, но проверенное годами решение или кажущееся блестящим и современным, но более дорогостоящееинеприменяющеесянапредприятии-конкуренте?

Таким образом, можно полагать, что СА суть один большой компромисс и от того, как расставлены акценты в этом компромиссе, зависит успешность решения задач, стоящих перед сетевой архитектурой.

Перечислим ряд требований к СА, которые требуется выполнить безусловно:

♦жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены;

♦обеспечение функций реального времени;

♦работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара);

♦повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде (например, при больших электромагнитных помехах);

♦наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

К СА вполне применимы результаты теоретических изысканий в области коммуникационных сетей общего назначения, поэтому становятся вполне понятными постоянные ссылки на модель взаимодействия открытых систем (Open System Intercon-

nection Model), принятую ISO. Уместно напомнить назначение всех семи уровней этой модели. Попробуем кратко проанализировать приведенные далее сетевые решения именно с этой точки зрения, а именно постараемся понять, для решения каких основных задач создавались эти сети, чем разработчики жертвовали, что выдвигали на первый план и какие возможности это дает конечным пользователям.

34

Существуют два основных принципа построения структуры сети автоматизации.

Первый – централизованная структура, в которой центром системы является мощное вычислительное устройство, от которого

вформе звезды подключаются оконечные устройства управления и исполнительные механизмы. Данный принцип построения является наиболее удобным для администрирования, поскольку есть единая точка контроля над всей системой. Однако такая структура ненадежна: выход из строя центра звезды вызывает простой всей сети. Эту проблему можно решить за счет создания дублирующего центра, но такой вариант приводит к значительному удорожанию сети

вцелом. Еще один минус – отсутствие возможности расширения функциональности системы. При необходимости добавления большого количества исполнительных механизмов приходится менять центральноеустройство, чтосамопосебенерациональноиубыточно.

Второй – распределенная структура (рис. 1.4), состоящая из множества узлов, между которыми осуществляется обмен данными по цифровым каналам СА. Такой вариант построения является более дорогим с точки зрения затрат на администрирование, но более надежным: при выходе из строя одного из узлов система продолжает функционировать. Распределенная структура более гибкая и позволяет наращивать систему без существенного изменения ее действующей части. Крометого, онадаетвозможность расположитьузлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства вво- да-вывода, максимально близко к оконечным устройствам (датчикам иисполнительным механизмам), за счет чего сокращается длина сигнальных кабелей. Это позволяет не только экономить на сигнальных кабельных линиях, но и избежать необходимости строить дополнительныегромоздкиеконструкциидляпрокладкикабеля.

В РСУ можно выделить четыре уровня (см. рис. 1.4): Нижний (полевой) уровень – состоит из датчиков и исполни-

тельных механизмов, устанавливаемых на технологических объектах. Для связи с датчиками и исполнительными устройствами используются HART-протокол, Мodbus-протокол, CAN-шина, AS-интерфейс и другие шины.

35

единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУТП в общую сеть предприятия, что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES (Manufacturing Execution Systems) – информационной и коммуника-

ционной системы производственной среды предприятия – или ERP (Enterprise Resources Planning) – системы планирования ресурсов предприятия.

СА верхнего уровня имеют свою специфику:

1. Большая пропускная способность и скорость передачи дан-

ных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д. Вотличие от полевого уровня, жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100 или 700 мс (естественно, пока это находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть вцелом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиентов). Это связано стем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем 1 раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Однако и тут нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, допустим, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время, если контроллер (с циклом сканирования 100 мс) столкнется с 500-миллисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработкеалгоритмовуправления.

2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1–3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты.

37

3. Соответствие сетевого оборудования промышленным усло-

виям эксплуатации. Здесь имеются в виду такие немаловажные технические меры, как защита сетевого оборудования от пыли и влаги, расширенный температурный диапазон эксплуатации, увеличенный цикл жизни, возможность удобного монтажа на DIN-рейку, низковольтное питание с возможностью резервирования, прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов, однако ввиду специальногоисполнениястоитнесколькодороже.

Вчисло узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции NC и SCADA. Это могут быть обычные персональные компьютеры

испециализированные программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC) или промышленные компьютеры. Специфика ПЛК – наличие нескольких аналоговых и цифровых портов, встроенный интерпретатор специализированного языка, детерминированные задержки при обработке сигналов, требующих незамедлительного реагирования. Однако ПЛК, в отличие от промышленных PC, рассчитаны на решениеограниченногокругазадачвсилуспециализированностиПО.

Вцелом промышленные компьютеры имеют следующие особенности:

1) работа в режиме реального времени (для промышленных РС разработаны такие ОСРВ, как OS-9, QNX, VRTX и др.);

2)конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запыленность, перепады температур, иногда взрывоопасность);

3)возможность встраивания дополнительных блоков управляющей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что, помимо специальных конструкторских решений, обеспечивается использованием стандартных шин и увеличением числа плат расширения;

4)автоматический перезапуск компьютера в случае зависания программы;

5)повышенные требования к надежности функционирования,

взначительной мере специализация промышленных компьютеров определяется ПО.

38

Конструктивно промышленный компьютер представляет собой корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для встраиваемых плат. Возможно использование мостов между крейтами.

Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками, исполнительными устройствами) происходит через драйверы. Межпрограммные связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE. Для упрощения создания систем разработан стандарт OPC (OLE for Process Control). Обычными для СА являются предельные расстояния между узлами (датчиками, исполнительными устройствами и контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений – до одного килобайта (в сжатой форме). Опрос датчиков – периодический. Важное требование к СА – обеспечение работы в реальном времени, поэтому для нижних уровней АСУТП сети типа Ethernet обычно не подходят, поскольку в них не гарантируется ограничение задержек сверху. Однако в системах SmartGrid cеть Ethernet находит применение и на нижних уровнях (протокол Goose по стандарту IEC 61850).

Широта выбора в области СА велика. Невольно возникает вопрос: какая сеть лучше?

На самом деле лишь одна сеть лучшей никогда не будет, поскольку невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако, если будут хорошо известны все особенности каждого из этих решений, все его «за» и «против», будет возможность сделать обоснованный вывод и выбрать сеть для конкретного случая.

В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Например:

♦клапан может постоянно сообщать о своем состоянии (закрыт/открыт) единственным битом;

♦датчик температуры может передавать соответствующий параметр каждые 5 мин;

♦датчик быстродействующей системы регулирования должен сообщатьопроизошедшемотказевтечениенесколькихмикросекунд;

39

♦ для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления технологическим процессом может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.

Решить все задачи при помощи СА одного типа невозможно. Однако все вместе они могут удовлетворить требованиям практически любойсистемыуправления, имеющейраспределеннуюархитектуру.

Применение СА знаменует собой совершенно новую эпоху в управлении процессами. Одна из важнейших примет этой эпохи – смещение цифровых технологий на нижние иерархические уровни систем автоматизации. Растущие масштабы активного применения СА позволят вынести задачи контроля за рамки централизованной системы управления на цеховой и корпоративный уровни. Распределенные интеллектуальные средства, исполняющие эти задачи, смогут также одновременно собирать информацию в реальном времени (РВ) и передавать ее узлам более высокого иерархического уровня.

Организация обмена информацией представляется достаточно важной проблемой вследствие постоянного повышения требований к полосе пропускания, надежности, стоимости содержания и расширения, гибкости СА. Затраты на сферу IT (Information Technology) в 2001–2010 годах возросли в мире на 12–20 %. По данным аналитиков, в 2008 году объем вложений в IT-сферу только в Европе превысил 32 млрд долл. Знаменательно также, что на долю России в этом регионе пришлось 47 % вложений и наибольшую долю по затратам занял производственный сектор (включая дискретное и непрерывное производство). В дальнейшем прогнозируется значительное увеличение инвестиций в сферу IT.

1.2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ FIELDBUS

Протокол Modbus был предложен еще в 1979 году компанией Modicon – лидером тогда только зарождавшегося рынка ПЛК. Он должен был служить протоколом реализации внутренних коммуникаций «точка-точка» между ПЛК Modicon и панелью про-

40