книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

изводителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ. Наконец, СА – это образ мысли инженера, определяющий конфигурацию и принципы построения системы. От того, какая сетевая архитектура выбирается сегодня, будут зависеть не только затраты на создание системы, но и срок ее жизни, способность к развитию, т.е. интегральная стоимость владения.

Существуют три основные предпосылки, создавшие поистине революционную ситуацию, которая вызывает сегодня повсеместный переход разработчиков АСУ к применению распределенных сетевых технологий:

1.Изделия из кремния дешевеют, а из меди дорожают. За последние годы эта тенденция стала особенно заметна. Прошли те времена, когда нормой жизни считался огромный шкаф, напичканный автоматикой, с выходящими из него толстыми пучками кабелей, ведущими к датчикам и исполнительным механизмам.

Сегодня в большинстве случаев становится экономически целесообразной установка на площади цеха или участка нескольких локальных контроллеров или интеллектуальных УСО, объединенных

вединую сеть, чем прокладка разветвленных кабельных систем.

2.Стоимость работ по установке, тестированию, вводу в эксплуатацию и сопровождению централизованной системы гораздо выше, чем у распределенной.

Количество проводных соединений в централизованной системе как минимум в два раза больше, чем в распределенной (рис. 1.1). Нужно учитывать многократно возрастающую вероятность ошибки при монтаже проводников в многочисленных кроссовых клеммных колодках и сложность поиска и устранения неисправностей. Отдельно стоит упомянуть о ситуации, когда в составе объекта управления появляются еще несколько входных или выходных каналов. Добавление новых линий связи к уже проложенной кабельной системе – занятие не из простых.

3.Растущая потребность в распределенном интеллекте. Сегодня, когда микропроцессоры и другие специализированные микросхемы стали достаточно дешевыми, стало целесообразным выделять в об-

21

щей системе АСУ отдельные локальные задачи, решение которых следует поручать локальным контроллерам. Контур управления, таким образом, замыкается на нижнем уровне. Сеть же позволяет контроллерам в качестве аргументов для вычисления управляющего вектора использовать переменные других контроллеров, обеспечивая связанность системы управления в целом. Такая архитектура существенно увеличивает производительность, надежность и масштабируемость систем. Кроме того, современные датчики и исполнительные механизмы, как правило, уже сами являются интеллектуальными и законченными «субъектами» АСУ.

Применение цифровых сетей автоматизации дает огромные преимущества, которые тем значительнее, чем крупнее система:

♦сокращение затрат на кабель, платы ввода-вывода и монтаж;

♦экономия места в щитовых;

♦сокращение затрат на пусконаладку и ввод в эксплуатацию;

♦объединение информации в масштабах предприятия для обеспечения своевременного доступа к ней;

♦автоматизация производственных функций;

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

♦повышение качества и безопасности;

♦максимальное увеличение продолжительности функционирования производства.

Ниже приведены конкретные цифры по сокращению издержек при применении технологии Foundation Fieldbus для автоматизации

нефтедобычи на северном берегу Аляски по следующим параметрам:

–число контактных соединений;

–число плат ввода-вывода;

–количество соединительной проводки;

–число датчиков;

–экономия места, занимаемого пультами управления в диспетчерской.

22

Заметим, что примененная здесь технология Foundation Fieldbus еще не предполагала использование интеллектуальных датчиков исенсорнойшины, атакжетехнологииEthernet (шинаН2).

1.1.1. Сокращение числа контактных соединений

Традиционный ввод-вывод. При традиционном подходе каждый датчик или клапан подключается к распределительной коробке с помощью индивидуальной пары проводов (обычно экранированной витой пары). Поскольку каждый кабель имеет три контакта (включая экран), число контактных соединений в распределительной коробке равно утроенному числу устройств. Распределительная коробка подключается к кросс-панели тем же числом контактных соединений (число устройств, умноженное на три), кросс-панель подключается к платам ввода-вывода тем же числом контактных соединений. На рис. 1.1 показана схема контактных соединений в традиционной системе ввода-вывода с 16 устройствами.

Рис. 1.1. Контактные соединения при традиционной технологии ввода-вывода с 16 устройствами

В схеме традиционного производства, если к распределительной коробке подключены 6 клапанов и 10 датчиков, к платам вводавывода подходят 240 контактов (табл. 1.1).

23

Таблица 1 . 1

Число контактных соединений в традиционной схеме с 16 устройствами

	Откуда	Куда	Числоконтактных
			соединений
	16 устройств(16 × 3 проводов)	Распределительнаякоробка	48
	Распределительнаякоробка(48)	Кросс-панель(48)	96
	Кросс-панель(48)	Платыввода-вывода(48)	96
		Всего	240

Использование полевой шины. При использовании полевой шины число контактных соединений значительно сокращается. Для подключения устройств к распределительной коробке требуется такое же число соединительных проводов, однако сама распределительная коробка соединяется с кросс-панелью одним кабелем (три провода), и один кабель (три провода) соединяет кросс-панель с платой полевой шины H1. Если в сегмент полевой шины включено такое же количество клапанов и датчиков (16 устройств), то к сегменту полевой шины в распределительной коробке может быть подсоединено максимум 16 кабелей (48 контактов). Схема контактных соединений с 16 устройствами на полевой шине приведена на рис. 1.2. Обращаем внимание на сокращение количества контактных соединений между распределительной коробкой, кросс-панелью

иплатой полевой шины H1.

Втакой схеме полевой шины, где используется то же число устройств, что и в традиционной схеме, для 6 клапанов и 10 датчиков потребуется только 60 контактных соединений с платами вводавывода (табл. 1.2).

С точки зрения суммарных затрат путем использования технологии полевой шины может быть достигнуто грандиозное сокращение расходов на установку. В табл. 1.3 приведены затраты на установку внаилучшем (5 долл. на каждое контактное соединение) и наихудшем случаях(15 долл. накаждоеконтактноесоединение) длятрадиционной

24

Рис. 1.2. Контактные соединения в системе с полевой шиной Fieldbus и 16 устройствами

Таблица 1 . 2 Число контактных соединений в схеме с полевой шиной Fieldbus

	Откуда	Куда	Числоконтактных
			соединений
	16 устройств(16 × 3 проводов)	Распределительнаякоробка	48
	Распределительнаякоробка	Кросс-панель(1 × 3 провода)	6
	(1 × 3 провода)
	Кросс-панель(3)	Платыввода-вывода(3)	6
		Всего	60

конфигурации с 240 контактными соединениями и конфигурации с полевой шиной и 60 контактными соединениями.

Таким образом, при использовании полевой шины можно сократить число контактных соединений как минимум на 75 % (с 240 до 60). Если применить большее количество клапанов с дополнительными функциями ввода-вывода (например, для отсечных клапанов могут выполняться дискретные ввод-вывод и аналоговые измерения), можно добиться сокращения до 88 % (с 480 до 60). Заказчик на нефте-

25

Таблица 1 . 3

Затраты на установку для традиционной технологии по сравнению с полевой шиной

	Стоимость	Итоговаястоимость, долл.
		Традиционнаяконфигура-	Конфигурацияполевой
	на1 контактное
		цияс240 контактными	шиныс60 контактными
	соединение
		соединениями	соединениями
	Неменее5 долл. накаждое	1200	300
	контактноесоединение
	Неболее15 долл. накаждое	3600	900
	контактноесоединение

промыслах Аляски достиг у себя сокращения контактных соединений на 84 %. Для типичного производства средних масштабов, обычно имеющего систему с 2000 входными сигналами, если считать трудозатраты по 5 долл. на каждое контактное соединение, экономия на одних только трудозатратах, связанных с выполнением соединений, состави-

ла бы 112 500 долл. (2000/16 · (1200 – 300)) при оплате труда 5 долл./ч

и повысилась бы до 337 500 долл. (2000/16 · (3600 – 900)) при оплате труда15 долл./ч.

1.1.2. Сокращение числа плат ввода-вывода

Традиционные платы ввода-вывода поддерживают цифровой ввод, цифровой вывод, аналоговый ввод и аналоговый вывод. В данном примере каждая плата может поддерживать до 8 каналов.

При использовании полевой шины функциональные блоки аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода и цифрового вывода находятся в устройстве, что делает традиционные платы ввода-вывода ненужными. Плата полевой шины, используемая для подключения приборов к шине, может поддерживать до 64 блоков, каждый из которых соответствует одному или большему числу каналов.

Сравним традиционную схему ввода-вывода с 16 устройствами (6 клапанами и 10 датчиками) и схему с полевой шиной и 16 устрой-

26

ствами (6 клапанов с цифровыми приводами, 10 датчиков с цифровым выходом). В клапане El-O-Matic находятся шесть функциональных блоков ввода-вывода, а в датчике Rosemount – два. Шесть функциональных блоков в клапане эквивалентны в традиционной технологии ввода-вывода шести каналам дискретного ввода, двум каналам дискретного вывода и двум каналам аналогового ввода. Два функциональных блока в датчике эквивалентны двум каналам аналогового ввода. В табл. 1.4 показаны требования к оборудованию вводавывода при использовании полевой шины и традиционной технологии для клапана и датчика.

Таблица 1 . 4

Требования к оборудованию ввода-вывода

для полевой шины Fieldbus и традиционной технологии

Функциональныеблоки			Каналыввода-вывода
	АВх3 FF, АВх4 FF		АВх, АВх
	ДатчикFieldbus		Традиционныйввод-вывод
	АВх1	FF, АВх2 FF	ДВх, ДВых, ДВх, ДВых
	ДВх1	FF, ДВх2 FF	ДВх, ДВых, ДВх, ДВых
	ДВых3	FF, ДВых4 FF	ДВх, АВх, ДВх, АВх
	КлапанFieldbus		Традиционныйввод-вывод

Традиционная конфигурация с 6 клапанами и 10 датчиками требует наличия 36 дискретных входов, 12 дискретных выходов и 32 аналоговых входов, что в сумме составляет 11 плат (табл. 1.5).

Конфигурация полевой шины с 6 клапанами и 10 датчиками требует наличия 56 блоков или одной платы H1 (табл. 1.6).

Поскольку плата полевой шины используется не полностью, в наихудшем случае требуется 1 плата полевой шины H1, применение которой приводит к сокращению числа используемых плат вво-

27

да-вывода на 91 % (с 11 до 1 платы H1). В наилучшем случае используются все 64 блока, поддерживаемые платой H1. Сценарий с 8 клапанами и 8 датчиками потребовал бы 12 традиционных плат ввода-вывода, при этом сокращение числа плат ввода-вывода составило бы 92 % (с 12 до 1 платы H1).

Таблица 1 . 5

Потребность в платах для традиционной технологии ввода-вывода

	Числоканалов	Числоканалов	Числоплат
		наоднуплату
36	дискретноговвода	8	5 дискретноговвода
12	дискретноговывода	8	2 дискретноговывода
32 аналоговоговвода		8	4
		Всего	11

			Таблица 1 . 6
	Потребность в платах для полевой шины Fieldbus
	Числоустройств	Числоблоков	Общеечислоблоков
		наодноустройство
	6 клапанов	6	36
	10 датчиков	2	10
		Всего	56 = 1 платаH1
			(платаH1 поддерживает64 блока)

Наш заказчик смог добиться сокращения числа плат вводавывода на 93 %, поскольку ранее на них у него использовались не все каналы. Обычно 80 % каналов традиционных плат вводавывода предназначены для будущего расширения. Экономию из расчета на один канал ввода-вывода можно определить по формуле «стоимость канала традиционного ввода-вывода – стоимость платы H1/64».

Если система содержит 2000 точек, средняя стоимость канала ввода-вывода составляет 100 долл., а блока – 60 долл. (сюда входит

28

стоимость платы H1, схемы регулирования питания и контактных соединений для одного сегмента), суммарная экономия на оборудовании ввода-вывода будет составлять около 80 000 долл.

1.1.3. Сокращение соединительной проводки

Традиционный ввод-вывод. Для 16 устройств требуется 16 кабелей, соединяющих распределительную коробку и кросс-панель, и16 кабелеймежду кросс-панельюи платойввода-вывода.

Полевая шина. Распределительная коробка соединяется с кросспанелью одним кабелем, и один кабель (три провода) соединяет кросспанель с платой ввода-вывода. Как и при использовании традиционной схемы ввода-вывода с 16 устройствами, схема с полевой шиной и 16 устройствами требует для подключения к распределительной коробке 16 кабелей.

Сокращение числа кабелей с 16 до 1 составляет 94 %. В наилучшем случае, когда потребуется 16 многопараметрических интеллектуальных устройств, поддерживающих до 10 каналов на один клапан, произойдет дальнейшее сокращение числа кабелей со 160 до 3, чтосоставляет98 %.

Наш заказчик смог достичь сокращения соединительной проводки на 98 %. С точки зрения суммарной стоимости в случае системы, имеющей 2000 каналов ввода-вывода, где средняя длина кабеля между распределительной коробкой и кросс-панелью равна 1000 футам (≈ 300 м), общая стоимость проводки составила бы 440 000 при 0,22 долл. за 1 фут, включая стоимость работы и материалов. Потенциальная экономия могла бы составить от 413 600 до

431 000 долл.

1.1.4. Сокращение числа датчиков

Традиционные датчики температуры или давления могут обеспечить только одно измерение, передаваемое выходным сигналом в пределах 4–20 мА.

29

Совместимые с полевой шиной датчики давления снабжены внутренним сенсором температуры, который доступен пользователю в качестве блока аналогового ввода и может использоваться для измерения температуры, если датчик монтируется непосредственно на технологическом аппарате (а не через импульсную трубку).

Поскольку не во всех применениях корпус датчика имеет подходящую температуру, не все температурные датчики можно убрать и достигнуть тем самым максимального сокращения – 50 %. Однако можно избавиться от некоторой части таких датчиков в тех местах, где планировалось установить датчики давления. Примем сокращение использования датчиков температуры на 28 % путем объединения их функций с функциями датчиков давления.

1.1.5. Экономия места в щитовой

Экономию места в щитовой трудно оценить количественно, поскольку размеры помещений, в которых размещается оборудование ввода-вывода, сильно различаются (рис. 1.3). Рассмотренное ранее сокращение числа плат ввода-вывода на 87 % окажет решающее влияние на общую площадь, занимаемую контроллерами. На некоторые компоненты (например, на ПК и мониторы) такое сокращение количества оборудования ввода-вывода влияния не окажет.

1.1.6.Итоговое сокращение затрат

Врезультате анализа получаем итоговое сокращение затрат: 1) числа контактных соединений – на 84 %; 2) числа плат ввода-вывода – на 93 %;

3) количества соединительной проводки – на 98 %;

4) числа датчиков – на 28 %; 5) места, занимаемогосистемойвщитовой, – на70 %.

Расчеты по капитальным затратам приведены в табл. 1.7, 1.8.

30