Структуры систем управления технологическими объектами
Исторически известны 3 основные вида структур систем управления:
Централизованные АСУ ТП
АСУ ТП с супервизорным управлением
Децентрализованные (распределенные АСУ ТП)
Централизованные АСУ ТП
В таких системах всем процессом управления занимается мощная центральная управляющая ЭВМ. Эта структура была характерна для раннего этапа развития АСУ ТП (60-е – 70-е годы).
Рисунок 3 – Структура централизованной АСУ ТП
Информация об объекте управления поступает в виде сигналов с многочисленных датчиков. Это датчики температуры, уровня, перемещения, давления и других физических величин. Поскольку сигналы с датчиков имеют низкий уровень, эти сигналы усиливаются и приводятся к одному диапазону. Эту задачу выполняют усилители-нормализаторы.
Поскольку датчиков много, необходимо их опросить последовательно, один за другим. Для этого нужно кратковременно подключить каждый датчик и измерить соответствующий параметр. Эту задачу выполняет коммутатор. Коммутатор в каждый отдельный момент времени подключает каждый датчик к аналого – цифровому преобразователю (АЦП).
В течение работы системы происходит многократный опрос датчиков системы, т.е. информация постоянно обновляется. Преобразованные в цифровой код значения параметров поступают в ЭВМ и запоминаются в памяти.
В ЭВМ осуществляется обработка данных и вычисление сигналов для исполнительных механизмов.
Для устройств, работающих в режиме логико-командного управления (ЛКУ), вычисляются значения логических функций, определяющих значение выходного сигнала для исполнительного устройства (вкл/выкл).
Для устройств системы аналогового регулирования вычисляется сигнал, пропорциональный режиму работы данного устройства (например частота вращения двигателя). Эти сигналы преобразуются в электрический вид в помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Обычно такой преобразователь многоканальный.
Сигналы с ЦАП поступают на исполнительные механизмы. Такой порядок работы АСУ ТП характерен и для современных систем.
Для централизованных АСУ ТП характерно наличие центрального пульта оператора. На него выводились сигналы с датчиков, которые отображались различными ламповыми и стрелочными индикаторами. Для управления процессом на пульте имелись многочисленные выключатели и регуляторы. Обмен информацией между ЭВМ и центральным пультом оператора (выдача сигналов индикации о состоянии объекта и прием команд оператора) осуществлялся с помощью коммутаторов, АЦП и ЦАП.
В современных системах вместо центрального пульта используется монитор ЭВМ.
Особенно ответственные участки технологического объекта управлялись, минуя центральную ЭВМ, с помощью локальных устройств логикокомандного управления и аналогового регулирования – ЛКУ и аналоговых регуляторов (см. рис.3). Это могли быть, например, сигналы аварийного отключения.
Основным недостатком централизованной структуры была низкая надежность. Любой сбой или отказ в ЭВМ приводил к неработоспособности всего технологического объекта.
АСУ ТП с супервизорным управлением
В этих системах также имеется одна центральная ЭВМ. Но если в централизованной структуре она осуществляла непосредственное управление исполнительным механизмом, то здесь она выполняет функции координатора. Весь объект разделяется на набор локальных подсистем автоматики. Каждой локальной подсистеме выделяется собственное управляющее устройство – либо локальный аналоговый регулятор, либо релейно-контактная схема логико-командного управления (ЛКУ).
Режим работы, в котором ЭВМ лишь корректирует работу локальных подсистем, называется супервизорным.
В случае отказа ЭВМ технологический объект распадается на набор автономно работающих локальных подсистем. В течение какого-то ограниченного времени технологический объект остается работоспособным.
Децентрализованные (распределенные) АСУ ТП
Эти системы появились в конце 70-х – 80-е годы вместе с появлением программируемых логических контроллеров.
Контроллер представляет собой специализированное вычислительное устройство, выполненное на базе процессора и предназначенное для решения задач управления технологическими процессами (рис.4).
Для стыковки с объектом управления в контроллер вводится ряд специализированных устройств, называемых средствами сопряжения с объектом. С их помощью обеспечивается опрос датчиков системы и формирование электрических сигналов для исполнительных механизмов.
Будучи устройством, подобным ЭВМ, контроллеры могут объединяться в локально – вычислительную сеть. АСУ ТП, таким образом, становится информационно-управляющей локальной вычислительной сетью.
Рисунок 4 – Программируемый логический контроллер
ПЛК первоначально могли решать только задачу ЛКУ. Впоследствии их функциональные возможности стали сопоставимы с возможностями целой управляющей ЭВМ. Тем не менее, название осталось старым.
ПЛК в локально-вычислительной сети АСУ ТП играют роль терминальных компьютеров, т.е. являются узлами ЛВС.
Различают 4 разновидности организации ЛВС АСУ ТП:
Радиальная структура
Магистральная структура
Кольцевая структура
Смешанная
Радиальная структура АСУ ТП (рис.5)
Рисунок 5 – Радиальная структура ЛВС децентрализованной АСУТП:
ЦП – центральная подсистема;
ЛПА – локальная подсистема автоматики;
ТОУ – технологический объект управления;
ТОУ – технологический объект управления.
Центральная подсистема – сервер – осуществляет управление контроллерами. До каждого контроллера тянется свой канал связи. Коммутация каналов осуществляется с помощью центрального устройства связи, которое является электронным коммутатором, широко используемым при организации ЛВС. Каждый контроллер может автономно управлять своей локальной подсистемой.
Преимущество данной системы – высокая скорость обмена. ЦП напрямую связывается с любым из ПЛК. При этом также обеспечивается высокая надежность обмена.
Недостатки:
Большая общая длина линий связи, т.к. от ЦП до каждого ПЛК нужно тянуть свой канал.
Сбои в работе ЦП и центрального устройства связи могут привести к сбоям в работе технологического объекта.
Поэтому ЦП стараются выполнять на основе мощных высоконадежных серверов.
Магистральная структура АСУ ТП (рис.6)
Рисунок 6 – Магистральная структура ЛВС децентрализованной АСУТП
Если в радиальной структуре все функции по коммутации каналов и передаче связи выполняет центральное устройство связи, то здесь возникает необходимость во введении локальных устройств связи для каждого узла ЛВС. Поскольку магистраль общая, необходимо распознавать информацию и определять, кому она адресована. Эту задачу и выполняет УС (устройство связи).
Общая длина линии связи в этой структуре существенно меньше, чем в радиальной. Однако структура не обеспечивает высокого быстродействия передачи данных – такого же, как у радиальной структуры. Также в системе возможны конфликты, когда две подсистемы одновременно пытаются занять магистраль для передачи данных.
Эти конфликты разрешимы и магистральная структура является наиболее распространенной. Еще одной отличительной особенностью здесь по сравнению с радиальной структурой является то, что здесь используется несколько ЦП, которые могут выполнять разные функции. Например, одна – отвечать за связь с АСУ ТП более высокого уровня (участок – цех, цех – производство, производство – корпорация); другая – выполнять индикацию состояния технологического объекта управления; хранение архива о состоянии технологического объекта в течение длительного времени.
Кольцевая структура АСУ ТП (рис.7)
Рисунок 7 – Кольцевая структура ЛВС децентрализованной АСУТП
В этой структуре используется единый общий для всех канал связи – информационное кольцо. Его образуют локальные устройства связи, выполняющие ретрансляцию получаемых данных. Это позволяет получить следующее:
Происходит усиление сигналов при каждой ретрансляции, что обеспечивает передачу данных на большие расстояния, т.е. абоненты ЛВС могут быть территориально значительно удалены друг от друга.
Ликвидация конфликтов, поскольку УС может лишь ретранслировать данные.
В таких структурах для передачи данных может использоваться специальный пакет, который может быть пустым, либо заполненным информацией. Получив пустой пакет, абонент может заполнить его информацией и передать дальше. Адресат при совпадении своего адреса с указанным в пакете считывает данные. Такая организация передачи данных повышает надежность системы. Освобождать пакет от информации может только его источник. При этом он «видит», есть ли искажение в той информации, которую он принял, по сравнению с той, какую он выдал. Цена такого повышения надежности – снижение быстродействия.
Кольцевая структура, в частности, используется в станках с ЧПУ. Информационное кольцо здесь реализуется на основе волоконо-оптической линии.
Смешанная структура ЛВС может сочетать в себе сразу несколько видов структур. Например, на верхнем уровне АСУТП (уровень предприятия) используется радиальная структура, включающая в себе АСУТП автоматизированных цехов, цеха, в свою очередь имеют магистральную структуру ЛВС и т.д.