Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП

 

Конструктивно-технологическая структура ГСП представлена на рис. 5.

 

 

Рис. 5. Конструктивно-технологическая структура ГСП

В составе ГСП выделяются комплексы технических средств – унифицированные (УКТС), агрегатные (АКТС) и программно-технические (ПТК).

УКТС(унифицированный комплекс технических средств) – совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС(агрегатныйкомплекс технических средств)–совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу.

ПТК (программно-технический комплекс) –совокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности.

 

20. Совместимость средств ГСП

 

В основу ГСП была положена совместимость, обеспечивающая возможность функционирования средств автоматизации в единой системе без дополнительной их подгонки, по следующим основным признакам(рис.6)

Рис. 6.Совместимость средств ГСП

 

Для примера рассмотрим более подробно информационную совместимость ТСА по уровням входных/выходных унифицированных сигналов, т.е. сигналов дистанционной передачи информации с унифицированными параметрами, обеспечивающими информационное сопряжение (интерфейс) между различными приборами, блоками и системами АСУ ТП (табл. 3).

Унифицированные сигналы Таблица 3

 

Электрические сигналы	Пневматические сигналы
Аналоговые	Дискретные	Аналоговые	Дискретные
= I [мА]	= U [мВ]	~ U [В]	~γ [кГц]	= U [В]	[кПа]
0 – 5; -5 – +5; 4 – 20	0 – 10; -10 – +10; 0 – 1000	0 – 2; -1 – +1	0 – 8; 2 – 4; 0 – 100	для TTL: «0» ≤ +0,4 «1» ≥ +2,4	для УСЭППА:
20 – 100	«0» ≤ 10 «1» ≥ 110

 

 

 

 

21. Сети передачи данных, входящие в состав АСУ ТП

Сети передачи данных, входящие в состав АСУ ТП, можно условно разделить на два класса:

1. Полевые шины (Field Buses);
2. Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses).

Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.

Пример полевой шины представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Полевая шина.

Как уже было отмечено, существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже:

1. Profibus DP
2. Profibus PA
3. Foundation Fieldbus
4. Modbus RTU
5. HART
6. DeviceNet

Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях.

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д.

 

22. Требования к полевым шинам

1. Детерминированность. Под этим подразумевается, что передача сообщения из одного узла сети в другой занимает строго фиксированный отрезок времени. Офисные сети, построенные по технологии Ethernet, - это отличный пример недетерминированной сети. Сам алгоритм доступа к разделяемой среде по методу CSMA/CD не определяет время, за которое кадр из одного узла сети будет передан другому, и, строго говоря, нет никаких гарантий, что кадр вообще дойдет до адресата. Для промышленных сетей это недопустимо. Время передачи сообщения должно быть ограничено и в общем случае, с учетом количества узлов, скорости передачи данных и длины сообщений, может быть заранее рассчитано.

2. Поддержка больших расстояний. Это существенное требование, ведь расстояние между объектами управления может порой достигать нескольких километров. Применяемый протокол должен быть ориентирован на использование в сетях большой протяженности.

3. Защита от электромагнитных наводок. Длинные линии в особенности подвержены пагубному влиянию электромагнитных помех, излучаемых различными электрическими агрегатами. Сильные помехи в линии могут исказить передаваемые данные до неузнаваемости. Для защиты от таких помех применяют специальные экранированные кабели, а также оптоволокно, которое, в силу световой природы информационного сигнала, вообще нечувствительно к электромагнитным наводкам. Кроме этого, в промышленных сетях должны использоваться специальные методы цифрового кодирования данных, препятствующие их искажению в процессе передачи или, по крайней мере, позволяющие эффективно детектировать искаженные данные принимающим узлом.

4. Упрочненная механическая конструкция кабелей и соединителей. Здесь тоже нет ничего удивительного, если представить, в каких условиях зачастую приходиться прокладывать коммуникационные линии. Кабели и соединители должны быть прочными, долговечными и приспособленными для использования в самых тяжелых окружающих условиях (в том числе агрессивных атмосферах).

 

 

23. Физические среды полевых шин

1. Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля. Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей. Эти работы должны выполняться квалифицированными специалистами.

2. Полевые шины, построенные на базе медного кабеля. Как правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания.

 

 

24. Методы повышения отказоустойчивости полевых шин

Рассмотрим методы обеспечения отказоустойчивости коммуникационных сетей, применяемых на полевом уровне. При проектировании и реализации этот аспект становиться ключевым, так как в большой степени определяет характеристики надежности всей системы управления в целом.

На рисунке 2 изображена базовая архитектура полевой шины – одиночная (нерезервированная). Шина связывает контроллер С1 и четыре узла ввода/вывода IO1-IO4. Очевидно, что такая архитектура наименее отказоустойчива, так как обрыв шины, в зависимости от его локализации, ведет к потере коммуникации с одним, несколькими или всеми узлами шины. В нашем случае в результате обрыва теряется связь с двумя узлами.

Рис. 2. Нерезервированная шина.

Здесь важное значение имеет термин “единичная точка отказа” (SPOF, single point of failure). Под этим понимается место в системе, отказ компонента или обрыв связи в котором приводит к нарушению работы всей системы. На рисунке 2 единичная точка отказа обозначена красным крестиком.

На рисунке 3 показана конфигурация в виде дублированной полевой шины, связывающей резервированный контроллер с узлами ввода/вывода. Каждый узел ввода/вывода снабжен двумя интерфейсными модулями. Если не считать сами модули ввода/вывода, которые резервируются редко, в данной конфигурации единичной точки отказа нет.

Рис. 3. Резервированная шина.

Вообще, при построении отказоустойчивых АСУ ТП стараются, чтобы единичный отказ в любом компоненте (линии связи) не влиял на работу всей системы. В этом плане конфигурация в виде дублированной полевой шины является наиболее распространенным техническим решением.

На рисунке 4 показана конфигурация в виде оптоволоконного кольца. Контроллер и узлы ввода/вывода подключены к кольцу с помощью резервированных медных сегментов. Для состыковки медных сегментов сети с оптоволоконными применяются специальные конверторы среды передачи данных “медь-оптоволокно” (OLM, Optical Link Module). Для каждого из стандартных протоколов можно выбрать соответствующий OLM.

Рис. 4. Одинарное оптоволоконное кольцо.

Как и дублированная шина, оптоволоконное кольцо устойчиво к возникновению одного обрыва в любом его месте. Система такой обрыв вообще не заметит, и переключение на резервные интерфейсные и коммуникационные модули не произойдет. Более того, обрыв одного из двух медных сегментов, соединяющих узел с оптоволоконным кольцом, не приведет к потере связи с этим узлом. Однако второй обрыв кольца может привести к неработоспособности системы. В общем случае два обрыва кольца в диаметрально противоположных точках ведут к потере коммуникации с половиной подключенных узлов.

На рисунке 5 изображена конфигурация с двойным оптическим кольцом. В случае если в результате образования двух точек обрыва первичное кольцо выходит из строя, система переключается на вторичное кольцо. Очевидно, что такая архитектура сети является наиболее отказоустойчивой. На рисунке 5 пошагово изображен процесс деградации сети. Обратите внимание, сколько отказов система может перенести до того, как выйдет из строя.

 

Рис. 5 Конфигурация сети с двойным оптическим кольцом

 

 

В таблице 1 приведены основные характеристики наиболее распространенных протоколов промышленных сетей полевого уровня.

 

 

Таблица 1

 

25. Промышленные сети верхнего уровня общая характеристика

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д.

Какие сети используются на верхнем уровне? В отличие от стандартов полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При этом, как правило, используется полный стек коммуникационных протоколов TCP/IP. В этом плане сети операторского уровня очень похожи на обычные ЛВС, применяемые в офисных приложениях. Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet. Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES (Мanufacturing Еxecution System) .

 

26. Требованиям к промышленным сетям верхнего уровня

1. Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д.

В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100 мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке алгоритмов управления.

2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты. Далее мы более подробно остановимся на схемах обеспечения резервирования.

3. Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов, однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько дороже.

 

27. Конфигурации сетей верхнего уровня

Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня. На рисунке 7 показана самая простая – базовая конфигурация. Отказ любого коммутатора или обрыв канала связи (link) ведет к нарушению целостности всей системы. Единичная точка отказа изображена на рисунке красным крестиком.

Рис. 7. Нерезервированная конфигурация сети верхнего уровня.

Такая простая конфигурация подходит лишь для систем управления, внедряемых на некритичных участках производства (водоподготовка для каких-нибудь водяных контуров или, например, приемка молока на молочном заводе). Для более ответственных технологических участков такое решение явно неудовлетворительно.

На рисунке 8 показана отказоустойчивая конфигурация с полным резервированием. Каждый канал связи и сетевой компонент резервируется. Обратите внимание, сколько отказов переносит система прежде, чем теряется коммуникация с одной рабочей станцией оператора. Но даже это не выводит систему из строя, так как остается в действии вторая, страхующая рабочая станция.

Рис. 8. Полностью резервированная конфигурация сети верхнего уровня.

Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети – замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный прокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.

На рисунке 9 изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.

Рис. 9. Резервированная конфигурация сети на основе оптоволоконного кольца.

 

28. Определение, история появления и развития Программируемых Контроллеров

Как следует из рассмотренных выше принципов построения ПТК в архитектуре АСУ ТП контроллеры занимают место между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и системами верхнего уровня управления процессом. Основная функция контроллеров в системе – сбор, обработка и передача на верхний уровень первичной информации, а также выработка управляющих воздействий, согласно с запрограммированными алгоритмами управления и передача этих воздействий на исполнительные механизмы.

Промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это технические средства автоматизации, предназначенные для приема, хранения, преобразования, обработки (логической, арифметической) информации и выработки команд управления, созданные на базе микропроцессорной техники, и являющиеся специализированными управляющими ЭВМ предназначенными для работы в локальных и распределенных АСУ ТП.

Они впервые появились в конце шестидесятых годов в автомобильной промышленности США в результате слияния трех направлений техники:

– Релейно-контактная и бесконтактная электроавтоматика (основа ПЛК);

– Цикловое программное управление (принцип управления ПЛК);

– Микропроцессорная техника (элементная база ПЛК).

Первоначально производством ПЛК занимались компьютерные фирмы (DEC, Modicon, Entrekin Computers), но позже к их разработке подключились и электротехнические фирмы (General Elektric, Allen Bradley, ISSC), которые выпускали устройства электроавтоматики и лучше знали потребности промышленности, поэтому их ПЛК были более удобны в программировании и ориентированы на заводских специалистов (электриков, наладчиков). В настоящее время производством и внедрением ПЛК занимаются десятки ведущих мировых фирм, среди которых наиболее известны: Siemens (29%), Rockwell Automation (16%), Mitsubishi (12%), Schneider (9%), Omron (8,5%), Funuc (3,5%), Koyo Electronics, Marpos, Festo, АВВ, Bosch и др.

Интересно отметить, что порог рентабельности ПЛК постоянно снижался, и если в 70-е годы считалось, что экономически выгодно заменять контроллером систему электроавтоматики из 100 реле (в 80-е годы – из 60, в 90-е годы – из 20), то в настоящее время эта цифра опустилась до нескольких единиц.

29. Особенности ПЛК в сравнении с традиционными ТСА и ЭВМ

1. Циклический характер работы, определяющий возможность ПЛК обрабатывать информацию (управлять производственными процессами) в реальном масштабе времени технологического оборудования.

2. Проблемно ориентированное программно-математическое обеспечение ПЛК, рассчитанное на конкретные типовые задачи управления, регулирования и контроля технологическими процессами.

3. Легкое и свободное программирование и перепрограммирование с помощью специальных инженерных языков высокого уровня стандарта IEC 6.1131-3.

4. Простота и доступность в процессе подключения, отладки и эксплуатации ПЛК, ориентация на обычный производственный персонал (электриков, наладчиков).

5. Схожесть физических структур и конструкций ПЛК различного назначения и разных фирм изготовителей.

6. Модульная архитектура построения ПЛК, позволяющая простое конфигурирование при разработке и свободное наращивание или урезание при дальнейшей модернизации систем автоматизации.

7. Возможность эксплуатации ПЛК в непосредственной близости от технологического оборудования (в цеховых, полевых, пожароопасных условиях), неприхотливость, простота в обслуживании.

8. Широкие коммуникационные возможности ПЛК, позволяющие создавать на их основе сложные распределенные АСУ ТП с применением сетевых технологий.

 

Таблица 1 Отличия программируемого контроллера от персонального компьютера

Свойство	Контроллер	Компьютер
Выполняемая задача	Обработка сигналов датчиков и выдача команд	Последовательность вычислений
Время решения	Ограничено динамикой объекта управления	Не ограничено
Выполнение программы	Многократное	Однократное
Программирование	По особенностям управления объектом	По особенностям решаемой задачи
Язык программирования	Созданный специально для данного контроллера	Универсальный
Подключение	К объекту управления	К питающей сети
Ввод программы	От временно присоединяемого устройства	От встроенного устройства
Результаты работы	Не выводятся	Выводятся на монитор
Время цикла	Меньше периода изменения ситуации	Не ограничено
Подключаемые устройства	Датчики и исполнительные устройства	Монитор, принтер, клавиатура

30. Классификация ПЛК как основных компонентов ПТК

Все универсальные микропроцессорные ПЛК, составляющие основу программно-технических комплексов (ПТК), подразделяются на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обра­батываемой информации об объекте управления.