Автор: АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами. Это комплекс технических и аппаратных ресурсов, управляющий производствами разного уровня. Управление осуществляется путем контроля текущих параметров в процессе, и формирования регулирующих воздействий по заданному заранее алгоритму.
Что такое АСУ ТП?
АСУ ТП в отличие от обычных АС, не просто отображает реальную картину. А корректирует ее с помощью обратного воздействия. Обратная связь реализуется механическими и электронными устройствами.
С помощью такой системы оптимизируются процессы для достижения необходимых целей производства. В зависимости от целей, она сама может иметь многоуровневую структуру, и входить составляющей частью в систему управления большим предприятием (АСУ П). И при этом содержать в составе отдельные системы автоматического управления (САУ).
АСУ ТП на производствах решает следующие задачи:
- Являться полноценной и отдельной структурой технического управления.
- Стабилизировать запланированные технологические программы. Для этого параметры процессов измеряются и обрабатываются. Выполняется их визуальная индикация и регистрация, а также архивация. Это необходимо для возможно принятия решений технологом-оператором. Но основной режим – автоматической реализации процесса обратной связью по программе.
- Режим анализа происходящих процессов. Выявление предаварийных состояний, и перевод производства в безопасный режим – автоматически или персоналом.
- Сбор полного объема данных контроля для технического руководства, назначение которых – анализ и управление производством, и дальнейшее его планирование.
Важно, что автоматизация подразумевает не чисто автоматическое регулирование, но и участие персонала в критических точках алгоритма – для принятия логичных обоснованных решений. Это необходимо в многоуровневых производствах, в отличие от простых процессов на одном уровне. Персонал входит в состав управления ТП, контролируя и управляя автоматизированными средствами. Потому что не во всех критических ситуациях возможно принятие решений искусственным интеллектом (ИИ).
Практически АСУ ТП используются для управления всеми сложными производствами в самых разных отраслях – электростанциях, машиностроительных и металлургических комплексах, водоочистных и насосных сооружениях, нефтегазовых и химических предприятиях, в пищевой промышленности.
Цель АСУ ТП в рамках предприятия – обеспечить автоматизированное функционирование производства, и обеспечить полноценную связь с техническим руководством для оперативного управления этим предприятием, и возможности выносить стратегические решения по планированию.
Про структуру АСУ ТП
В зависимости от уровня и специализации производства, преобладания программных или технических средств, в создании АСУ ТП практикуются две концепции, или два подхода к построению структуры. Это трехуровневая структура, и система на четырех уровнях.
Трехуровневая система АСУ ТП
Обычно она строится в рамках законченного производственного цикла на одном простом предприятии.
Концептуально в нее входя три таких ступени:
- Верхняя, компьютеризированная часть. Реализует алгоритм управления.
- Средняя часть – автоматических контроллеров. Автоматически реагируют на изменения в системе. Выдают управляющие сигналы на нижний уровень, и отправляют сигнал наверх в критических ситуациях.
- Нижний уровень полевых систем. Одни из них измеряют и контролируют состояние объекта и передают значения на верхние ступени. А другие в виде исполнительных механизмов получают управляющие сигналы сверху, и совершают корректировки процесса.
При этом реализуется как прямая иерархия, так и связь полевого звена с верхним уровнем, для возможности прямого контроля и настроек.
Верхний уровень
Эта ступень системы – автоматизированное рабочее место (АРМ), или в других случаях – пульт управления (ПУ). Третья трактовка этого понятия – от английского термина «supervisory control and data acquisition» (SCADA). По-русски это называется диспетчерским управлением и сбором данных.
Все три термина имеют один смысл, но применяются в разных отраслях и технологиях.
В любом случае, это пункт, оснащенный:
- Компьютерами и (или) серверами. Средствами архивации и печати информации.
- Средствами сигнализации и визуальной индикации. Терминалами, мониторами, большими экранами.
- Каналами связи.
В АРМ реализуется алгоритм управления процессом, обработка данных, и автоматизированное принятие решений – как автоматическое, так и оператором (технологом).
Система SCADA
В такие пункты управления входит клиентская и серверная часть. Серверы посредством программируемых логических контроллеров (ПЛК) средней ступени опрашивают полевые датчики нижнего звена, и собирают информацию. Выдают ее на клиентские устройства индикации и обработки. ПЛК еще называются промышленными компьютерами. В качестве них могут выступать и роботизированные системы.
Клиентские интерфейсы могут реализоваться мобильными или веб-версиями. Это зависит от технического задания заказчика на разработку.
Важно также, что верхний уровень подразумевает при работе объекта не только прямое функционирование системы, но и ее текущие доработки, вызываемее технологическими причинами. Но не разработки, которая является основой создания системы. Редактирование алгоритмов, программ и данных выполняется без прерывания процесса на объекте. В простом случае – персоналом, в более сложном – разработчиками.
Изменения могут быть в изменениях графических интерфейсов, настройках полевых источников и взаимодействия с пользователем. Это оператор, диспетчер, технолог – в любом случае, специалист с инженерной профильной подготовкой. Периодически корректируются формы и алгоритмы архивирования и формирования баз данных (БД) – одной из главных функций системы.
Собранные на пункте управления данные формируются в разные формы представления информации в виде графиков, таблиц и протоколов. Архивацию реализуют в MS SQL и MS Access, в бинарных БД.
Сообщения оператору могут быть текущими и аварийными. Они также сохраняются в архивах.
Интерфейс в распространенных SCADA
В России часто используются зарубежные системы от производителей InTouch от Wonderware, WinCC от Siemens, Genesis64 от Iconics, RSView32 от Rockwell Automation, и другие.
Среди российских SCADA систем популярностью пользуются: Trace mode разработки AdAstra), Master от НПФ ИнСАТ и КРУГ 2000 от НПФ КРУГ. Еще Саргон от НВТ «Автоматика ”.
Технические интерфейсы для операторов у систем выражаются в виде мнемосхем текущего процесса с отображением на них линий связи и значений важных параметров. При подробном рассмотрении выводятся графики и таблицы, списки значений. Для управления процессом выводится панель с командами.
Средний уровень
Эта ступень выполнена на контроллерах ПЛК. Это самостоятельно работающие модули, запрограммированные на нужный технологический процесс. Они перепрограммируются по мере необходимости производства. Среда программирования часто разная у отдельных разработчиков, но всегда совмещенная со SCADA.
ПЛК всегда состоят из трех секций – входной, выходной и центральной. Они бывают отдельными, или собранными в одном блоке. Распределенные контроллеры удобны для создания сети с периферийными устройствами, расположенными на разных удаленных участках производства. В таких случаях один процессор соединен с многими блоками входа и выхода.
Центральная часть – это процессор с памятью и каналами коммуникации. Он анализирует входные сигналы, вырабатывает по программе управляющие сигналы, и выдает их на выходные блоки.
Входные блоки принимают аналоговые и дискретные сигналы от датчиков и устройств, а также специальные командные сигналы с пульта управления.
В выходной секции содержатся блоки управления исполнительными устройствами. Дискретные их сигналы управляют пускателями и соленоидами, индикаторами и лампами, реле и клапанами.
Аналоговые непрерывные сигналы управляют ходом процесса. Специальный выход формирует разовые импульсные сигналы.
Полевой уровень
К нему относятся первичные преобразователи сигналов, датчики дискретных и аналоговых параметров, и исполнительные устройства для выполнения команд.
К датчикам аналоговым и дискретным относится масса измерительных приборов и систем, сервоприводов.
Исполнительные механизмы (ИМ) могут выполнять включение и выключение, линейное перемещение, вращение и поворот на заданный угол. Могут быть:
- электрическими – электромагниты, двигатели, контакторы и реле;
- гидравлическими – цилиндры, клапаны, регуляторы;
- пневматическими – диафрагмы, клапаны и цилиндры.
ИМ также работают от аналоговых и дискретных управляющих команд.
Четырехуровневая система АСУ ТП
Такое построение включает в себя такие ступени:
- Человеко-машинный интерфейс на верхнем этапе.
- Магистральная сеть. Это сетевой уровень.
- Контроллерная ступень. Здесь осуществляется контроль и управление технологическими процессами.
- Полевые звенья. Ступень технологических процессов.
Как видно, четырехуровневая система отличается наличием сетевого уровня. Он необходим для удаленного управления, или в сложных распределенных системах.
Верхняя ступень
Здесь осуществляется полная координация производства, контроль управления процессами, необходимая их корректировка. Ведется архивирование процессов для управления предприятием.
Сетевой уровень
Вводится при необходимости управления многими технологическими объектами, распределенными в пространстве. Сеть коммуникаций с уровнем контроля может реализоваться кабельными и беспроводными способами.
Но для любых каналов используется цифровая кодировка сигналов.
Этап контроллерного управления
На этой стадии ведется сбор и первичная обработка дискретной и аналоговой формы информации. На ее основе вырабатываются управляющие сигналы исполнительным механизмам.
Оборудование этого уровня состоит из кроссовых шкафов (каналов связи, входов и выходов), набора контроллеров, дополнительных средств автоматизации (в том числе компьютеризированных САУ).
Контроллеры в текущем времени опрашивают датчики и первичные устройства, обрабатывают информацию, выдают управляющие сигналы исполнительным системам, отправляют данные на пульт управления (АРМ) или напрямую в базу данных (БД).
Полевая структура нижнего уровня
Она формируется из датчиков, первичных преобразователей сигналов, и управляющих механизмов.
Датчики и преобразователи формируют аналоговые и дискретные электрические сигналы по значениям физических параметров производственного цикла, далее отправляют их контролеру.
Управляющие механизмы регулируют параметры и состояния в технологическом процессе. Их задача – преобразовать электрический управляющий сигнал контроллера в механическое действие исполнительного органа – задвижки или клапана, двигателя, сенсора или реле, поршня или контактора.
Дискретные и аналоговые сигналы входа/выхода
Так сложилось в процессе развития техники, что сигналы измерения с разных устройств получают разного типа. Это связано и со способом измерения того или иного параметра. Но в любом случае, эти входные сигналы должны быть оцифрованы для работы с ними процессора в контроллере или для отправки на компьютер (сервер).
Кроме аналоговых и дискретных, есть логические сигналы управления или состояния, типа включено-выключено.
Такое же построение и выходных сигналов контроллера, для выдачи их на исполнительные механизмы для выполнения физического действия (не только механического, это может быть нагрев или охлаждение).
Аналоговый сигнал — такой, величина которого меняется, но не прерывается времени (например, ток, напряжение).
Дискретный сигнал имеет отдельные значения через равные промежутки времени (интервалы). Это импульсы с определенной амплитудой и частотой. Каждое отдельное значение дискретного сигнала – целое число.
Цифровой сигнал – представленный в машинном представлении, зашифрованный в двоичную систему значений байтов.
Логические – сигналы «да-нет», включено и включено. Показывают одно из двух состояний объекта.
Оборудование и программы АСУ ТП
Кроме ПЛК, системы оснащаются следующими устройствами:
- Искробезопасные электрические цепи. Барьеры искрозащиты необходимы нефтяной и газовой отрасли, как взрывоопасном производстве. Бывают активные и пассивные. Пассивные при скачках напряжении уводят токи в землю. Активные – полупроводниковыми схемами вырабатывают обратное воздействие через безопасную гальваническую развязку.
- Источники бесперебойного питания (ИБП) – обязательный блок для всех уровней. При выключении сетевого питания, без ИБП не только пропадет часть данных, но остановится техпроцесс. ИБП работают от питания 220В, выдают питание на аппаратуру 24 В.
- Шкафы связи (присоединений) с коммутационными аппаратами, для сбора данных с первичных устройств и выдачи управляющих воздействий.
- Распределенные системы управления (РСУ). Автоматизируют технологические операции на отдельных участках и объектах, устройствах.
- Шкафы систем противоаварийной защиты (ПАЗ). При превышении технологическими процессами установленных границ ПАЗ переводят их в безопасные состояния.
- Автоматизированные системы пожарной сигнализации и пожарного тушения (АСПСиПТ). Распределенные иерархическим и территориальным способом системы. Имеют посты с наблюдением и управлением. С датчиками контроля и обнаружения, сигнализацией и оповещением. С управлением вентиляционными системами. С включением системы тушения пожара.
Программное обеспечение структуры АСУ ТП
Структуры систем формируются по двум уровням – SCADA и HMI.
SCADA построена на диспетчерском управлении и сборе данных.
HMI реализуется человеко-машинным интерфейсом.
Таким образом, общий диспетчерский пункт SCADA управляет множеством HMI, а те в свою очередь, набором ПЛК с комплексом датчиков и исполнительных устройств.
Для их работоспособности применяется следующее программное обеспечение.
Fernhill – программное обеспечение для кроссплатформенных SCADA. Множество таких систем может работать на всех известных ОС.
SIMATIC – это производительное ПО для визуализации техпроцессов.
CloudView NMS – выполняет сетевое управление и мониторинг.
COMBIVIS от KEB – с его помощью выполняют настройку и автоматизацию приводов, каналов ввода и вывода.
Эледес Дизайн Люкс – создает электрические схемы предприятия.
GENESIS64 – для реализации HMI в системе Windows.
Aircada – для распределения и хранения данных по предприятию.
Терминология АСУ ТП
Здесь приведены общепринятые в сфере АСУ ТП термины, кроме тех, которые расшифровываются перед сокращением в данной статье.
Пульт управления – технические и программные средства, позволяющие контролировать технологический процесс.
Автоматизированная система – комплекс автоматических устройств и систем с участием сотрудников предприятия.
Система автоматизированного проектирования – набор программных средств, автоматизирующих процесс проектирования.
Автоматизация технологического процесса – методы и средства для управления процессом без постоянного участия человека, только с выборочным контролем, и реакцией на аварийные ситуации.
Автоматика – технические средства, работающие без участия людей.
Числовое программное управление (ЧПУ) – работа оборудования (линий, станков) под управлением цифровых программ в его контроллере.
Система сбора данных (ССД) – компьютеризированные технические и программные средства, собирающие и архивирующие информацию.
Автомат – механизм, работающий самостоятельно в рамках установленной программы.
