В настоящее время промышленные предприятия по всему миру проходят этап модернизации и внедрения информационных технологий как на существующих производствах, так и при строительстве новых. Без знания современных технологий автоматизации не построить ни один производственный комплекс или цех. Ознакомление с функциями и возможностями автоматизированных систем управления (АСУ) в общем является важной частью подготовки персонала предприятия всех уровней, а не только инженерно-технического.
Автоматизированную систему управления технологических процессов (АСУ ТП) можно представить в виде отдельных её частей, называемых подсистемами. Подсистема — это часть основной системы, выделенная по какому либо признаку. Совокупность подсистем автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП), вне зависимости от сферы применения, как правило, одна и та же. Структура любой автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) может быть представлена совокупностью обеспечивающих её подсистем, среди которых обычно выделяют программно-техническое обеспечение, информационное, математическое (иногда – алгоритмическое), организационно-методическое и правовое.
Основной переменной величиной, характеризующей автоматизированную систему управления технологических процессов (АСУ ТП) является критерий управления. Критерием управления называется соотношение, зависящее от качества функционирования системы в целом, и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.
Как было сказано выше, автоматизированная система управления технологических процессов (АСУ ТП), состоит из обеспечивающих подсистем. Рассмотрим подробнее значение каждой из них.
- техническое обеспечение, которое включает вычислительные и управляющие устройства, средства получения информации (датчики), средства преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, передачи и преобразования сигналов и исполнительные устройства. В качестве примера таких устройств могут выступать компьютеры, программируемые логические контроллеры, маршрутизаторы, электронные регистраторы, промышленные панели оператора;
- программное обеспечение, состоящее из совокупности программ, необходимых для реализации функций АСУ ТП и обеспечения управляющего алгоритма, без которого немыслимо функционирование комплекса технических средств;
- информационное обеспечение включает информацию, характеризующую состояние системы управления, системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической, массивы данных и документов, необходимых для выполнения функций АСУ ТП, в том числе нормативно-справочную и правовую информацию;
- организационное обеспечение представляет собой совокупность описаний функциональных, технических и организационных структур, а также инструкций для оперативного персонала; данная совокупность должна обеспечить надлежащее функционирование перечисленных структур;
- оперативный персонал — это технологи-операторы, осуществляющие контроль за управлением системы;
- эксплуатационный персонал — это персонал, обеспечивающий эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт системы.
От общих вопросов, касающихся структуры системы автоматизированного управления вообще, перейдём к роли автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) на современном промышленном предприятии. Характерная структура автоматизированной системы управления промышленным предприятием приведена на рисунке 1. Показаны место подсистем и компонент в составе системы управления предприятием. Выделены уровни технологического процесса, АСУ ТП и АСУП. Выделены компоненты экономического управления, управления качеством и производительностью.
«Рисунок №1.Структура АСУ промышленного предприятия. »
При построении средств современной промышленной автоматики в виде автоматизированной системы управления технологических процессов, используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности. На рисунке приведена общая структура автоматики АСУ ТП.
"Рисунок №2. Общая структура автоматики АСУ ТП"
Обозначения:
- ИП — измерительные преобразователи (датчики),
- ИМ — исполнительные механизмы,
- ПЛК — программируемый логический контроллер,
- ПрК — программируемый (настраиваемый) контроллер,
- ИнП — интеллектуальные измерительные преобразователи,
- ИнИМ — интеллектуальные исполнительные устройства,
- Модем — модулятор/демодулятор сигналов,
- ТО — техническое обеспечение (аппаратная часть, «железо»),
- ИО — информационное обеспечение (базы данных),
- ПО — программное обеспечение,
- КО — коммуникационное обеспечение (последовательный порт и ПО).
- ПОпл — программное обеспечение пользователя,
- ПОпр — программное обеспечение производителя,
- Инд — индикатор.
ООО «Регион Электро Снаб», как предприятие, накопившее большой опыт в создании автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) для нитроцеллюлозной промышленности, дозирующих и конвейерных систем для мукомольных предприятий, систем автоматизации бетонных заводов, станций обеззараживания питьевой воды, электролизных производств обычно реализует заказанные автоматизированные системы управления по следующим схемам:
- одноуровневой схеме (децентрализованная, иными словами локальная система), содержащей программируемый логический контроллер (ПЛК), либо моноблочный настраиваемый (МНК), либо программируемый логический контроллер и панель оператора. Кроме непосредственно самой задачи управления, все эти технические средства обеспечивают индикацию и сигнализацию состояния контролируемого или регулируемого технологического параметра с помощью систем человеко-машинного интерфейса. Это могут быть как простые текстовые панели, так и сенсорные панели оператора с большой функциональностью;
- двухуровневой схеме (централизованная система), включающей в себя: на нижнем уровне — несколько ПЛК с подключенными к ним датчиками и исполнительными устройствами, на верхнем уровне — одна, возможно несколько, операторских (рабочих) станций. Рабочая станция представляет собой компьютер для создания автоматизированного рабочего места оператора. Обычно рабочая станция или АРМ укомплектована системой сбора и визуализации данных (SCADA-системой) того или иного уровня сложности.
Остановимся более подробно на двухуровневой схеме автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) (централизованная система). Двухуровневые системы промышленной автоматики дают огромные преимущества в глубине хранения информации, создания архивов, доступу к информации из любой точки планеты через Web-интерфейс. Также преимуществом двухуровневой системы является распределение задач между узлами системы, что позволяет повысить надежность её функционирования. Типовая функциональная схема двухуровневой АСУ технологического процесса показана на рисунке.
"Рисунок №3. Типовая функциональная схема двухуровневой АСУ технологического процесса. "
Все ПЛК и автоматизированные рабочие места оператора объединены промышленной информационной сетью, обеспечивающей непрерывный обмен данными.
Основные функции нижнего уровня:
- сбор, электрическая фильтрация и преобразование сигналов с первичных преобразователей (датчиков) из аналоговой в цифровую форму;
- реализация локальных автоматизированных систем управления конкретного технологического процесса в объеме функций ПЛК одноуровневой системы;
- реализация аварийной и предупредительной сигнализации;
- организация системы защит и блокировок;
- обмен текущими данными с ПК верхнего уровня через промышленную сеть по запросам ПК.
Основные функции верхнего уровня:
- визуализация состояния технологического процесса;
- текущая регистрация характеристик технологического процесса;
- оперативный анализ состояния оборудования и технологического процесса;
- регистрация действий оператора, в том числе при аварийных сообщениях;
- архивация и длительное хранение значений протоколов технологического процесса;
- реализация алгоритмов «системы советчика»;
- супервизорное управление;
- реализация непосредственного цифрового управления;
- управление в режиме сбора данных — хранение и ведение баз данных параметров техпроцессов, критических параметров оборудования, признаков аварийных состояний технологического процесса;
- реализации системы контроля доступа операторов и их паролей.
Таким образом, нижний уровень реализует алгоритмы управления оборудованием, верхний - решение стратегических вопросов функционирования АСУ ТП.
Например, решение включить, выключить насос, изменить его частоту вращения принимается на верхнем уровне, а подача всех необходимых управляющих сигналов, проверка тепловой перегрузки насоса, реализация механизма блокировок и защиты по «сухому» ходу выполняется на нижнем уровне.
Иерархическая структура автоматизированной системы управления технологических процессов (АСУ ТП) подразумевает:
- поток команд направлен от верхнего уровня к нижнему;
- нижний отвечает верхнему по его запросам.
Данная структура повышает надёжность всей системы управления в целом, т.к. при выходе из строя комплекса технических средств верхнего уровня (неисправность и сбои в программном обеспечении компьютеров, отсутствие передачи данных по локальной сети из-за повреждений или помех) работоспособность нижнего уровня АСУ ТП сохраняется. Такие неисправности воспринимаются нижним уровнем лишь как отсутствие новых команд и запросов, но непосредственно на безопасное протекание технологического процесса не влияют.
При конфигурации ПЛК устанавливается: до какого времени после получения последнего запроса ПЛК продолжает функционировать, поддерживая последний заданный режим, после чего переходит в нужный при данной аварийной ситуации режим работы.