Архив / 2001 / №1(19) / Параллели

Развитие отечественных систем промышленной автоматизации

"Если XVII столетие и начало XVIII столетия век часов, а конец XVIII и все XIX столетие век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления."
Н.Винер

Тенденции развития систем промышленной автоматизации

Развитие отечественных компьютерных систем промышленной автоматизации (автоматизированных систем управления технологическими процессами АСУ ТП) можно разделить на три крупных этапа. Первый этап создания АСУ ТП связан с использованием ЭВМ первого поколения, таких как "Урал", "УМ-1", "Минск". На втором этапе применялись аналоги мэйнфреймов IBM (ЕС ЭВМ), клоны миникомпьютеров фирмы DEC (СМ ЭВМ). Системы управления на этих этапах имели централизованную структуру, в большинстве случаев не обеспечивая достаточного быстродействия и работы в режиме реального времени. Компьютеры того времени из-за несовершенства элементной базы и программного обеспечения характеризовались низкой надежностью, что приводило к частым сбоям.

Рис. 1. Структура современной АСУ ТП
Рис. 1. Структура современной АСУ ТП

Успехи в микроэлектронике, появление микропроцессоров революционизировали в начале 80-х годов технику построения систем управления и открыли третий этап компьютеризации промышленного производства. Микропроцессоры стали входить в состав отдельных средств автоматики и контроля. Цифровая передача данных между отдельными устройствами сделала вычислительную сеть основой построения систем управления. Системы управления технологическим процессом новой структуры, предусматривающей цифровую связь между отдельными устройствами обработки данных, получили название децентрализованных или распределенных АСУ ТП (РАСУ ТП).

C начала 80-х годов ведущие мировые производители средств автоматизации начали выпускать наборы программно-аппаратных средств для построения АСУ ТП. Основными признаками таких наборов является их совместимость, способность функционировать в единой системе, стандартизация интерфейсов, функциональная полнота, позволяющая строить целиком АСУ ТП из средств только данного набора. Такие наборы средств получили название программно-технических комплексов (ПТК) [1].

Начало 90-х годов охарактеризовалось резким качественным скачком в развитии систем управления и совпало с открытием межгосударственных и экономических границ, что дало возможность отечественным специалистам активно использовать в области автоматизации самые передовые компьютерные индустриальные технологии. Это коснулось в первую очередь экспортных отраслей промышленности: предприятий нефтегазодобывающего и перерабатывающего комплекса, металлургии, а также энергетики.

Архитектура современной АСУ ТП (рис. 1) включает четыре уровня.

На нулевом уровне аналоговый интерфейс 4-20мА (05мА) заменяется коммуникационной технологией, объединяющей датчики, исполнительные механизмы и контролеры в единую цифровую сеть Fieldbus (полевая шина или промышленная сеть). Это позволяет большое количество 2-, 3-, 4проводных линий связи, идущих от множества датчиков и исполнительных механизмов к каналам ввода-вывода контроллеров, заменить на один кабель. К приборам нижнего уровня по этому кабелю передается также электропитание. Все это дает серьезный ценовой выигрыш. Кроме того, каждое устройство оснащается самостоятельным вычислительным ресурсом и может выполнять функции управления, самонастройки и самодиагностики, что упрощает обслуживание контрольноизмерительных приборов (КИП) и снижает нагрузку на управляющие вычислительные устройства верхних уровней, делает систему более распределенной. В настоящее время отсутствует единый международный стандарт для сетей Fieldbus. Наиболее популярными являются следующие протоколы обмена: в Европе протокол, разработанный фирмой Siemens Profibus в различных его модификациях, в США Foundation Fieldbus. Также широко используются такие промышленные шины, как CANopen, LonWorks, Interbus и др. В качестве протокола для сетей на основе простого последовательного порта общепризнан Modbus, разработанный американской фирмой МОDICON.

На уровне 1 находятся устройства связи с объектом, которые принимают, выдают на объект группу аналоговых и дискретных сигналов, а также имеют связь через различные адаптеры с Fieldbus, контроллерами и компьютерами. Устройства уровня 1 являются безынициативными, работают под управлением контроллеров или компьютеров и располагаются рядом с объектом управления. Использование этих УСО снижает затраты на монтаж и кабельную продукцию.

На уровне 2 находятся контроллеры PLC (Programmable Logic Controllers) и SoftPLC. Для программирования PLC и SoftPLC Международный электротехнический комитет (МЭК) принял стандарт IEC 1131-3, который описывает пять языков программирования графических: релейных диаграмм (Ladder Diagrams LD), функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram FBD), последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart SPC); текстовых: список инструкций (Instruction List IL), структурированный текст (Structured Text ST). Связь между контроллерами и станциями управления верхнего уровня осуществляется по сети Ethernet, выполненной в промышленном варианте (Industrial Ethernet).

На рынке промышленной автоматизации все большим спросом пользуются встраиваемые в персональные компьютеры модули, позволяющие непосредственно к компьютеру подключать датчики и исполнительные механизмы. Это направление получило название "автоматизация на базе промышленных компьютеров" PCbased Control. Индустриальные компьютеры представляют собой, как правило, программно совместимые с обычными РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения. Для объектов управления, имеющих небольшое число входов-выходов, невысокие требования по надежности и по обеспечению режима реального времени, подход PC-based Control с экономической точки зрения предпочтителен, так как уменьшаются затраты на аппаратные средства.

На уровне 3 располагаются станции в виде IBM PC совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип безщитовой автоматики.

Доминирующей операционной системой для АСУ ТП верхнего уровня является Windows NT. Стандартным механизмом взаимодействия программного обеспечения АСУ ТП признан стандарт OPC (OLE for Process Control), который основан на объектной модели COM/DCOM фирмы Microsoft.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интеграция и унификация технических решений. Фирмы-разработчики сосредотачивают свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, заимствуя лучшие мировые достижения в остальных областях, становясь тем самым системными интеграторами. Основное требование современных систем управления это открытость системы. Система считается открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней "внешние" независимо разработанные компоненты. Архитектура IBM PC занимает ведущее место в области автоматизации.

Наметившийся в последнее время подъем отечественной промышленности дает шанс оснащать российские предприятия самыми современными компьютерными индустриальными технологиями, перешагнув этапы, которые проходило и на которых остановилось большинство западных предприятий.

Интегрированные системы управления производством

Современная АСУ ТП обязательно должна предусматривать связь с корпоративными системами управления предприятием (АСУП), которые в современной терминологии называются как ERP системы (Enterprise Resource Planning) планирование ресурсов предприятия или как MRP II системы (Manufacturing Resource Planning) планирование ресурсов производства. Системы ERP ориентированы на предприятие в целом, а MRP на его технологические подразделения (рис. 2).

Рис. 2. Интегрированные системы управления производством
Рис. 2. Интегрированные системы управления производством

Основу программного обеспечения (ПО) уровня 3 составляет SСАDА программа (Supervisory Control And Data Acquisition система сбора данных и оперативного диспетчерского управления), реализующая все основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления. Система SСАDА состоит из инструментального и исполнительного комплекса. Инструментальный комплекс предназначен для разработки конкретного ПО автоматизированных рабочих мест (АРМ) технолога, оператора, диспетчера и др. Исполнительный комплекс реализует разработанное ПО в определенной операционной среде.

Диспетчерское управление и сбор данных SCADA является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах.

Примерно за последние 10-15 лет резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий в авиации, наземном и водном транспорте, промышленности и энергетике, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20% инцидентов (80%, соответственно, за технологическими неисправностями и отказами), то в 90-х годах доля "человеческого фактора" возросла до 80%, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может еще возрасти.

Основной причиной таких тенденций является традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который часто применяется и в настоящее время. Это ориентация в первую очередь на применение новейших технических достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человекомашинного интерфейса (HMI Human-Machine Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя (оператора). Изучение материалов по проблемам построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показало необходимость применения нового подхода при разработке таких систем: "human-centered design" (или top-down, сверху-вниз), т.е. ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося "hardware-centered" (или bottom-up, снизу-вверх), в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения).

Система SCADA это процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера).

Выделены пять функций человека-оператора [2] в системе диспетчерского управления как набор вложенных циклов, в которых оператор:

· планирует, какие следующие действия необходимо выполнить;
· обучает (программирует) компьютерную систему на последующие действия;
· отслеживает результаты (полу)автоматической работы системы;
· вмешивается в процесс в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;
· обучается в процессе работы (получает опыт).

Основными особенностями процесса управления в современных диспетчерских системах являются следующие:

· процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);
· оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;
· активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);
· действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

Основные функции SСАDА-программ в части разработки дисплейного пульта (инструментальный комплекс SСАDА) и в части работы пульта в реальном масштабе времени (исполнительный комплекс SСАDА) следующие:

· сбор текущей информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с пультом оператора;
· первичная (вычислительная и логическая) обработка измерительной информации;
· архивирование и хранение текущей информации и ее дальнейшая, необходимая обработка;
· представление текущей и исторической информации на дисплее (реализация динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, графиков, трендов, выделение аварийных ситуаций и т. д.);
· печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени, показ и запись аварийных ситуаций в моменты их возникновения;
· ввод и передача команд и сообщений оператора в контроллеры и другие устройства системы;
· решение прикладных программ пользователя и их взаимосвязь с текущей измеряемой информацией и управленческими решениями;
· информационные связи с серверами и другими рабочими станциями через разные сетевые структуры.

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

· надежность системы (технологическая и функциональная);
· безопасность управления;
· точность обработки и представления данных;
· простота расширения системы. Основными областями применения систем диспетчерского управления (SCADA-систем) являются:
· управление передачей и распределением электроэнергии;
· промышленное производство;
· производство электроэнергии; водозабор, водоочистка и водораспределение;
· добыча, транспортировка и распределение нефти и газа; · управление космическими объектами;
· управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный);
· телекоммуникации;
· военная область.

В настоящее время в развитых зарубежных странах наблюдается настоящий подъем во внедрении новых и модернизации существующих автоматизированных систем управления в различных отраслях экономики; в подавляющем большинстве случаев эти системы строятся по принципу диспетчерского управления и сбора данных.

В настоящее время на отечественном рынке распространяются более 20 открытых SСАDА-систем, отличающихся друг от друга структурой, функциональными, техническими и стоимостными характеристиками, а также методами сопровождения их у потребителей. Основные SCADA-системы фирм, присутствующих на российском рынке, даны в таблице 1. В современных интегрированных системах управления предприятием между SCADA и ERP присутствует промежуточная группа систем, называемая MES (Manufacturing Execution Systems). Она возникла вследствие обособления задач, не относящихся к ранее определенным группам: SCADA и ERP.

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.

Одной из причин возникновения таких систем послужила попытка выделить задачи управления производством на уровне технологического подразделения. Но очень быстро выявились недостатки разделения задач планирования и управления производством на два уровня. Опыт показал, что информационная база этих задач должна быть единой. Клиент-серверная технология позволяет разделить клиентские части задач управления и планирования производства на два уровня: предприятия и цеха. Теперь можно использовать общие серверы базы данных и приложений, а клиентские места распределить по цехам и заводоуправлению.

Второй путь возникновения систем MES снизу, от АСУ ТП. Так 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, с возможностью 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.

Таким образом, современные системы управления (рис. 2) строятся по принципу пирамиды и охватывают весь цикл работы предприятия от систем управления нижнего уровня до систем управления предприятия в целом.

Таблица 1. Системы SCADA, представленные на российском рынке

Система

Фирма

Страна

Операционная система

Круг-2000

НПФ "Круг"

Россия, г.Пенза

DOS, Windows NT

TRANCE MODE

AdAstra

Россия, г.Москва

DOS, Windows 95/NT

VNS

ИнСАТ

Россия, г.Москва

DOS

Vis-a-Vis

ИнСАТ

Россия, г.Москва

Windows NT

MIK$Sys

Каф. Автоматики, МИФИ

Россия, г.Москва

DOS, Windows 95/NT

Саргон

НВТ-Автоматика

Россия, г.Москва

Windows 95/NT

СКАТ-М

АО НИИ Центрпрограммсистем

Россия, г.Тверь

DOS

In Touch

Wonderware

США

Windows 95/NT

RealFlex

RealFlex Software

США

QNX

Genesis

Iconics

США

Windows 95/NT

FIX, IFIX

Intellution

США

Windows 95/NT

Sitex

Jade Software

Англия

QNX

Factory Link

United States DATA Co.

США

Windows 95/NT

WinCC

Siemens

Германия

Windows 95/NT

CIMPLICITY HMI

GE FANUC Automation

США

Windows 95/NT

BridgeVIEW

National Instruments

США

Windows 95/NT

WizCon 7 for Windows & Internet

PC Soft International

Израиль-США

Windows 95/NT

Citect Tecgnologies

Ci

Австралия

Windows 95/NT

Genie

Advantech

Тайвань

Windows 95/NT

OASyS

Valmet Automation

Финляндия

Windows 95/NT

Сергей Фролов