Производственная и пожарная автоматика / Shishov - Tekhnologii promishlennoy avtomatizatsii 2007

Рис. 2.63. Частотные регуляторы серии 3G3HV.

Частотные регуляторы серии 3G3HV обладают повышенной надежностью и могут использоваться в самых жестких условиях. Встроенная функция энергосбережения позволяет использовать эти регуляторы для управления вентиляторами, насосами, различными транспортными механизмами и др. Имеется ПИД-регулятор. Частотный регулятор 3G3HV имеет 108 параметров настройки, 6 дискретных входов (4 из них программируемые), один аналоговый вход задания скорости (0–10 В или 4–20 мА). Аналоговый выход для мониторинга частоты или тока. Два программируемых релейных выхода (до 1А). Встроенная функция управления по шине ModBus (RS485/422). Входное напряжение: 3 фазы, 380 В~460 В, 1 или 3 фазы 220 В. Мощность: 4…300 кВт. Выходная частота: 0,1…400 Гц. Время разгона/торможения: 0…3600 сек. Степень защиты:

IP20.

114

II. КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ АСУ ТП ..................................................................			1
1.	ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ СТРУКТУР АСУ ТП.........................................................		1
2.	ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ НА БАЗЕ КОНТРОЛЛЕРОВ ............		11
3.	ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТК.....................................................................................................		11
4.	КЛАССИФИКАЦИЯ ПТК ......................................................................................................		16
5.	ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ПТК ДЛЯ КОНКРЕТНОГО ОБЪЕКТА .................................		20
6.	ПТК ВЕДУЩИХ КОМПАНИЙ ..............................................................................................		22
	6.1	Система управления процессами Process Control System 7 фирмы SIEMENS ............	22
	6.2	Программно-технический комплекс фирмы ОМРОН ....................................................	25
	6.3	Программно-технический комплекс ТЕКРОН®.............................................................	27
7.	ЦИФРОВЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ .............................................................................		30
8.	УСТРОЙСТВА СВЯЗИ С ОБЪЕКТАМИ..............................................................................		50
	8.1	Нормирующие преобразователи.......................................................................................	50
	8.2. Дискретные модули УСО .................................................................................................		62
	8.3	Аналого-цифровые УСО ...................................................................................................	65
	8.4	Устройства удаленного сбора данных и управления .....................................................	68
9.	ТИПОВЫЕ СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА
........................................................................................................................................................			87
10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ..................			96

115

III. ПРЕДПРИЯТИЕ КАК ЦЕЛОСТНЫЙ ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.УРОВНИ И ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ

Вусловиях жесткой конкуренции, динамичного рынка даже самые консервативные или небогатые предприятия не могут позволить себе отказаться от столь мощного средства эволюции, как автоматизация. Выгода от использования современных информационных компьютерных технологий в промышленности очевидна. Эпоха агитации за автоматизацию давно прошла. И теперь решается вопрос: "Как?".

Традиционно выделяют два уровня (рис. 3.1) автоматизации промышленных предприятий: АСУП (системы автоматизации производством – управленческой и финансово-хозяйственной деятельности) и АСУТП (системы автоматизации технологических процессов). Несколько обособленной, но обязательной областью автоматизации выступают САПР (системы автоматизированного проектирования), выполняя роль сервисного обслуживания и облегчения создания двух указанных уровней. Все они развивались хотя и параллельно, но обособленно и независимо друг от друга. Они проектировались и создавались, исходя из требований разных подразделений, автономно обслуживая разные службы единого предприятия. Изначально они не были подчинены единым целям и задачам, оставались слабо связанными физически и информационно, а чаще не связанными вовсе.

Р и с. 3.1. Уровни АСУ предприятия

1

АСУП были изначально ориентированы на поддержку бизнеспроцессов и не могли оперативно реагировать на реальные внутризаводские проблемы производства. Системы автоматизированного управления и планирования производством развивались из бухгалтерских систем, они хорошо выполняют учетную роль, регистрируя издержки, но не показывают пути совершенствования процесса производства.

Развитие АСУ ТП шло от создания простейших блоков управления отдельными агрегатами и хотя сфера их применения расширялась она никогда не выходила за рамки собственно производственного процесса.

Каждая из этих систем традиционно строилась по своим внутренним законам. Поэтому они практически не могли общаться между собой. Каждая из систем часто реализовывалась на основе различных аппаратных, программных и информационных стандартов.

Только в АСУТП насчитывается несколько десятков наиболее часто используемых стандартов на техническое, программное обеспечение и промышленные сети. Кроме того, не все решения полностью открыты, т.е. допускающие использование в рамках одной системы разнотипного оборудования, выпущенного в разное время разными производителями (как отечественными, так и зарубежными). Поэтому потребитель часто попадает в долгосрочную зависимость от одного изготовителя и не имеет возможности самостоятельного развивать и модернизировать созданную на его предприятии АСУТП. Аналогичная ситуация создается и при внедрении систем других уровней.

Создававшиеся без комплексного плана, как правило, под требования различных подразделений, участков и процессов, не связанные между собой системы автоматизации очень напоминали лоскутное одеяло. Но всё же думается, что этап лоскутной автоматизации это объективная и необходимая ступень развития. Это лишь означает, что к комплексной автоматизации по настоящему не были готовы ни разработчики, ни поставщики, ни потребители.

Положительными итогами прошедшего этапа стали накопленный опыт, осознание серьезности задач автоматизации, необходимости их коррекции и дальнейшего развития самого процесса автоматизации на новом качественном уровне. Важно теперь не задержаться на этом этапе, вовремя перейти к следующему, тем более что сейчас для такого перехода появляются все возможности

– идет интенсивное сближение стандартов и технологий сопряжения (интерфейсов) различных аппаратных и программных средств автоматизации, используемых как в рамках одного уровня автоматизации, так и при связи одного уровня с другими.

Благодаря этому на классический вопрос «с чего начинать автоматизацию?» отныне можно отвечать однозначно: с разработки комплексного плана развития информационных технологий предприятия и этот план должен являться частью стратегии развития бизнеса в целом с учетом рыночных реалий и перспектив.

С точки зрения ориентированного на производство предприятия, выгодность или убыточность бизнеса определяется величиной добавочной стоимости, вносимой в продукт при его производстве. Данные, хранящиеся во внут-

2

рицеховых системах, по своей природе уже содержат все закономерности и взаимосвязи, которые можно использовать для оптимизации процесса повышения добавочной стоимости. Доступ к этим данным жизненно необходим всем структурам предприятия, ответственным за эффективное преобразование этой добавочной стоимости в прибыль.

Дальновидные руководители всегда осознавали, что информации, существующей на уровне АСУП, явно недостаточно для принятия оптимальных управленческих решений. Серьезный анализ работы предприятия вырождается, когда в него не включен учет данных об основных технологических процессах, нет информации по надежности, качеству, реальной себестоимости производства единицы продукции. Слой технологических параметров должен обязательно учитываться при выработке управляющих решений, иначе управленцы по-прежнему будут опираться лишь на собственную интуицию и индивидуальный опыт. Этого мало в условиях глобализации рынка и растущего уровня конкуренции. Сегодня нужно уметь очень оперативно просчитывать цену и последствия принимаемых решений.

Таким образом, должно создаваться единое информационное пространство предприятия. Создание в рамках предприятия единого хранилища сведений о продукции, процессах и прочих производственных данных снижает степень дублирования информации и обеспечивает стандартизацию всей деятельности предприятия. Вследствие чего снижается уровень издержек производства, повышается качество продукции и, как правило, ускоряется оборот капитала. Кроме того, достигнутая стандартизация обеспечивает возможность оперативного внедрения на предприятии всех современных технологических достижений.

Интеграция будет приобретать все большее значение как одно из средств объединения управляющих приложений с цеховыми системами. Она предоставляет верхнему звену управления предприятием возможности по обработке данных в таких задачах, как моделирование и проигрывание производственных процессов, а также выступая в роли средства планирования, контроля и оптимизации внутрицеховых операций.

Объединение офисных функций с внутрицеховыми операциями далеко не тривиальная задача, учитывая разнородность используемых систем на нижнем уровне. Офисные функции более ориентированы на обработку документов и исполняются с такими временными интервалами, как часы, дни, недели и даже месяцы, в то время как технологическое управление производством характеризуется большим числом параметров, получаемых от уникальных процессов, оборудования и систем, время реакции которых порой измеряется миллисекундами. Различие в типах данных и скорости их передачи у различных систем предприятия требует постоянного накопления, обработки и анализа этой информации. Приводит к необходимости создания между офисными приложениями и системами управления технологическими процессами промежуточных накопителей и преобразователей информации. Причем с ростом уровня интеллекта устройств цеховой автоматики степень сложности задач интеграции будет только возрастать.

3

Сдругой стороны, на тех предприятиях, где системы автоматизации изначально создавались с учетом особенностей технологии процессов и представляли собой продуманный подход к выбору решений, базовая информационная инфраструктура для интеграции уже создана. И хотя эта база пока не оптимальна и не достаточно полна, для реализации открытого и упрощенного доступа к технологической информации она уже пригодна. В нее входят такие компоненты, как имеющиеся на предприятии сети Ethernet, технологии открытого доступа к информации, стандартные промышленные шины на уровне цеховой автоматики. Это те необходимые стартовые условия, с которых можно начинать горизонтальную и вертикальную интеграцию предприятия.

Стехнической точки зрения, горизонтальная интеграция предполагает объединение между собой всех автономных систем автоматизации технологических и производственных процессов, а также административных отделений цехового уровня в единую информационную сеть. Что обеспечивает необходимый обмен данными в реальном масштабе времени между всеми подразделениями основного и вспомогательного производства. С производственной точки зрения, это означает учет каждого шага производственного процесса от прибытия сырья до отправки готовой продукции.

Предположим, что непрерывные и дискретные процессы завода охвачены раздельными сетями передачи информации, которые управляются не связанными друг с другом контроллерами. В этой широко распространенной ситуации различные подразделения страдают от последующей несогласованности действий. Горизонтальная интеграция позволяет устранять подобные изолированные действия путем объединения всего производственного цикла в единую согласованно действующую систему. Все устройства автоматики имеют между собой информационную связь и могут регулироваться и настраиваться без особых усилий. Однако это совсем не означает, что в каждый момент времени вся производственная система функционирует с максимальной эффективностью. Это задача вертикальной интеграции.

Вертикальная интеграция базируется на организации потоков информации от нижнего уровня (датчиков и контроллеров технологического оборудования) во внутренние и внешние компьютерные сети предприятия и через них в административные системы управления. Данная задача решается путем объединения промышленных и административных сетей. Основная цель вертикальной интеграции устранение препятствий на пути информационных потоков между уровнями АСУП и АСУТП с целью оперативного обмена данными.

Преимущества горизонтальной и вертикальной интеграции очевидны:

•Повышение производительности. Благодаря объединению производственного оборудования и возможности получать любую интересующую информацию в любой момент времени, специалисты гораздо быстрее могут устранять узкие места, препятствующие эффективному производству. Вовторых, появляется возможность производить больший объем готовой продукции, т. к. все оборудование работает более эффективно.

•Снижение себестоимости. За счет постоянного контроля ключевых технологических и производственных параметров, определяющих себестоимость

4

продукции, могут быть обнаружены и устранены источники непроизводственных потерь энергетических и трудовых ресурсов, простои оборудования, перерасход сырья, завышение нормативов трудозатрат и т. п.

•Повышение качества продукции. Обеспечение текущего контроля качества на всем цикле производства продукции позволит избежать таких ситуаций, когда брак выявляется только на завершающей стадии производства или еще хуже на складе готовой продукции. И чем раньше лица, принимающие решения, будут знать о нарушении качественных показателей, тем меньше будут возможные издержки от потери качества. Кроме того, наличие такого оперативного контроля позволяет в течение длительного времени поддерживать стабильно заданное качество, т.е. обеспечивать регулируемый выпуск однородной продукции.

•Оперативный переход на новый вид продукции. В ряде случаев важно в соответствии с текущей конъюнктурой рынка обеспечить оперативный переход от одного вида продукции к другому. Ключевым моментом здесь становится время перенастройки оборудования на другие технологические циклы и режимы. Здесь поможет электронный доступ к базам данных, где хранятся технологические карты и рецепты для каждого вида выпускаемой продукции, а также алгоритмы их адаптации на конкретный тип имеющегося технологического оборудования.

•Предупреждение аварийных ситуаций. Эту задачу можно решить с по-

мощью создания средств диагностики и мониторинга основного технологического оборудования как наиболее подверженного аварийным ситуациям и горизонтальной интеграции этих средств в единую информационную систему предприятия. Экономический эффект от прогнозирования и предупреждения или даже снижения последствий серьезных поломок оборудования и аварий невозможно оценить в деньгах. К сожалению, прямые убытки можно подсчитать только после того, как эта авария произойдет. Важная составляющая эффекта, достигаемого внедрением диагностических систем, это экономия средств на ремонт и эксплуатацию технологического парка за счет перехода от системы планово-предупредительного ремонта оборудования к обслуживанию по его фактическому состоянию.

2. ПУТИ И СРЕДСТВА ИНТЕГРАЦИИ ЗАДАЧ И УРОВНЕЙ АСУ

Интегрированная (комплексная) система АСУ, базой которой являются средства вычислительной техники, подразумевает, прежде всего, взаимодействие различных программных продуктов. Очевидно, что эти программные продукты и решаемые ими задачи можно подразделить на уровни в соответствии с уровнями задач АСУ. Состав и классификация таких уровней в настоящее время определяется пирамидой, показанной на рис. 3.2. Два нижних уровня пирамиды – это то, что относится к АСУТП, два верхних – к АСУП.

5

Рис. 3.2. Пирамида классификации программных средств по автоматизации предприятия

Группа задач, решаемая на уровне программируемых логических контроллеров четко относится к сфере АСУТП.

Следующий уровень задач в иерархии управления производством относят к системам типа SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) и DCS (Distributed Control Systems). Они решают задачи управления процессом с операторных станций и поддержки распределенных систем управления. Кроме прочего системы SCADA и DCS включают в себя задачи класса MMI (Man-

Machine Interface) или HMI (Human-Machine Interface) – обеспечения человеко-

машинного интерфейса, двусторонней связи "оператор – технологическое оборудование".

Вершину иерархии задач управления составляют задачи относящиеся к классу ERP (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприя-

тия) или MRP (Manufacturing Resource Planning – планирование ресурсов про-

изводства). Системы ERP ориентированы на предприятие в целом, а MRP на его технологические подразделения.

Постепенно между MMI и ERP образовалась промежуточная группа си-

стем, называемая MES (Manufacturing Execution Systems). Она возникла вслед-

ствие обособления задач, не относящихся ни к одной из ранее определенных групп. К системам MES принято относить приложения, отвечающие:

•за управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;

•планирование и контроль последовательности операций технологического процесса;

•управление качеством продукции;

•хранение исходных материалов и произведенной продукции по технологическим подразделениям;

•техническое обслуживание производственного оборудования;

•связь систем ERP и SCADA/DCS.

6

В MES произошло отделение тактических задач оперативного управления технологическими процессами от стратегических задач ведения процесса в целом. В частности, в химической, металлургической, пищевой и некоторых других отраслях промышленности можно выделить задачи управления технологическими последовательностями (batch control). Их суть в обеспечении выпуска продукции в нужном объеме с заданными технологическими характеристиками при наличии возможности перехода на новый вид продукции. Отделились и задачи ведения архива значений технологических переменных с возможностью восстановления производственных ситуаций прошедших периодов и анализа нештатных ситуаций. Появились программы обучения технологического персонала и оптимизации ведения технологических процессов.

Отметим роль САПР, стоящих несколько обособленно от рассматриваемой пирамиды программ. Современные технологии САПР для предприятий представлены системами CAD/CAM/CAE/PDM (Сomputer Aided Design,

Manufacturing, Engineering, Product Data Management). Эти системы позволяют обойтись без "бумажной" документации, осуществляя прямую связь между процессами разработки изделия и его производства, что позволяет повысить качество продукции и сократить период разработки. Они служат для автоматизации проектировочных работ при разработке конструкторской документации, технических и программных продуктов.

Для того чтобы различным уровням АСУ обмениваться данными, необходимо установить общий язык и иметь общее информационное пространство для общения. Для обеспечения этого необходимо:

•Использование баз данных, в том числе в качестве буфера между различными подсистемами, чтобы обеспечивать оперативный обмен данными между подсистемами. Причем БД являются как основой функционирования самих подсистем, так и средством, используемым для хранения функциональных данных. Именно БД могут стать основным средством интеграции двух подсистем.

•Применение класса продуктов, главным назначением которых является импортирование объектов из одной подсистемы и экспортирование их в другую подсистему.

С помощью СУБД на предприятиях избавились от проблем, связанных с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой, к тому же, различными и, зачастую, несовместимыми друг с другом способами. Однако использование традиционных реляционных баз данных, ориентированных на АСУП, не всегда возможно в системах управления технологическими процессами. Этому препятствует несколько основных ограничений:

•производственные процессы генерируют данные очень быстро и обычные БД не всегда могут выдержать подобную нагрузку;

•объёмы производственной информации настолько велики, что она просто может не вмещаться в традиционную БД.

Результатом преодоления этих ограничений стало появление класса продуктов, называемых базами данных реального времени (БДРВ). В настоя-

7

щее время БДРВ являются продуктами, ориентированными на хранение технологической информации, на высокие скоростные характеристики регистрации, на сжатие данных, на обеспечение связи с управленческими данными, на использование уже ставших стандартными в подсистемах АСУП интерфейсов.

Используемая в БДРВ архитектура клиент-сервер позволяет заполнить промежуток между промышленными системами контроля и управления реального времени, для которых характерны большие объемы информации, и открытыми гибкими управленческими информационными системами. Благодаря наличию мощного и гибкого процессора запросов пользователи имеют возможность осуществлять поиск любой степени сложности для выявления зависимостей и связей между физическими характеристиками, оперативными условиями и технологическими событиями.

Стандартным механизмом поиска информации на серверах БДРВ является SQL, что гарантирует доступность данных самому широкому кругу приложений. В подмножество языка SQL входят расширения, служащие для получения динамических производственных данных и позволяющие строить запросы на базе временных отметок.

Например, фирма Wonderware предлагает IndustrialSQL Server, позволяющий регистрировать данные в реальном времени. Построен IndustrialSQL Server на базе Microsoft SQL Server. Это существенно расширяет возможности всего производственного персонала в смысле возможности доступа к полной информации о любом этапе производства.

Применение продуктов, назначением которых является импортирование объектов из одной подсистемы и экспортирование их в другую подсистему невозможно без широкой стандартизации интерфейсов. В офисных приложениях преимущества стандартизации неоспоримы. Это и уменьшение цены на приложение и удобный пользовательский интерфейс. Промышленные приложения совсем другое поле деятельности. Многие отрасли промышленности предъявляют к системам управления свои, уникальные требования, связанные с конкретными технологиями производств.

Для промышленных приложений пока нет своего аналога Microsoft, который диктовал бы такой стремительный темп развития и его напрвление. Скорее всего, таковой и не появится из-за невозможности охватить столь огромный и неоднородный рынок. Однако, положительный опыт стандартизации офисных пакетов неизбежно открывает путь введения стандартов на разработку промышленных приложений. Под этим не следует понимать переход к использованию одной операционной системы, базы данных или сетевого протокола. Речь идет о разработке стандартных приемов (интерфейсов) увязки объектов, созданных в различных приложениях.

3. СТАНДАРТ OPC

8