Разработка автоматизированной системы управления энергохозяйством Сосногорского ЛПУМГ

Промышленная автоматизация  переживает сейчас большие изменения. Постепенно отходят от практики применения собственных систем и централизованных систем управления и начинают обращать внимание на системы с распределенным интеллектом. В результате фирменные и централизованные архитектуры понемногу сдают свои позиции на рынке, в то время как открытые распределенные системы (в которых для управления, сбора данных и обмена информацией используются промышленные шины - Fieldbus) начинают его завоевывать. Одна из причин этого кроется в том, что прокладка кабелей и развертывание системы с использованием промышленных шин обходится значительно дешевле. Системы с централизованным управлением обычно требуют, чтобы каждый датчик или группа датчиков подключалась к центральному контроллеру отдельным (и довольно дорогим) высококачественным кабелем. Напротив, в системе на базе промышленной шины рядом с каждым кластером датчиков располагается один интеллектуальный узел, преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и передающий их в этом виде в систему управления/мониторинга.

Выбор универсальной  промышленной шины

Промышленная шина –  это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и  функционирующая практически так  же, как и локальная сеть в учреждении. Однако для поддержания режима реального времени промышленная шина должна быть детерминистичной – качество, отсутствующее в офисных локальных сетях. Именно поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются в чисто промышленных системах. Отвечая требованиям различных прикладных сфер, промышленные шины обладают соответствующими характеристиками, благодаря которым их можно использовать в условиях промышленной эксплуатации.

Характеристики промышленных шин

• детерминированность,
• поддержка больших расстояний между узлами,
• защита от электромагнитных наводок,
• высокая эксплуатационная надежность.

Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного канала RS485, обеспечивающего взаимосвязь  нескольких устройств на расстояниях  до нескольких сотен метров. Как  правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации – характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (с одним исключением – шина PROFIbus имеет пропускную способность до 12 Мбит/с).

В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными  скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления технологическим процессом может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.

Решить все задачи при помощи промышленной шины одного типа просто невозможно. Однако все  вместе они могут удовлетворить  требованиям практически любой системы управления, имеющей распределенную архитектуру.

Влияние электрической  среды на выбор промышленной шины

В промышленных системах чрезвычайно важна защита от электромагнитных помех. Практически везде случаются  значительные скачки напряжений и токов. Периодические отказы из-за воздействия помех обходятся очень дорого, ведут к потере производительности и поэтому просто недопустимы. В большинстве средних и крупных систем требуется соответствие различным международным стандартам (типа СЕ или UL), что является обязательным во многих странах (например, в США).

Обычно от отдельных fieldbus-продуктов  не требуется обязательного соответствия международным стандартам защиты от электромагнитных излучений. Однако, если предприятие использует несертифицированное устройство, то ему возможно, придется сертифицировать устройство на соответствие требованиям системы. Это означает, что при покупке изделий для построения систем на базе промышленных шин лучше всего иметь дело с компаниями, которые с самого начала разрабатывают свои изделия с ориентацией на соответствие стандартам по электромагнитной защищенности.

Например, если для связи fieldbus-устройств в качестве линий  связи применяются медные проводники, то их нужно тщательно экранировать. Алтернативой может быть оптоволоконная передающая среда. Некоторые стандарты промышленных шин прямо определяют использование оптоволоконных кабелей. Стандарты, в которых применение оптоволоконных кабелей специально не предусматривается, допускают применение серийно выпускаемых преобразователей (электрического сигнала в оптический и обратно) при прокладке промышленной шины через зоны с повышенным уровнем помех.

Влияние физической среды на выбор промышленной шины

Кроме электрических  характеристик окружающей среды, необходимо учитывать и ее физические параметры. Электронные узлы промышленных систем часто работают в эстремальных условиях, например при больших температуратурных колебаниях, при больших вибрациях и ударных нагрузках.

Температура окружающей среды

Прежде чем выбрать тот или иной fieldbus-компонент, необходимо определить, к какому температурному диапазону относятся реальные производственные условия (учитывая при этом и метод охлаждения: принудительный или естественный (конвективный)).

Ударные и вибрацилнные нагрузки

Иногда промышленные системы подвергаются различным  ударам и вибрациям. Системы на базе европлат (типа VME и CompactPCI) удовлетворяющие  требованиям механических стандартов "Евромеханика" (входят в серию  стандартов IEEE 1101) обычно могут противостоять ударам и вибрациям. Каждая плата должна быть зафиксирована со всех четырех сторон: направляющими объединительной панели (сверху и снизу), разъемами (сзади) и крепежными винтами или самоблокирующимися ручками вставки/извлечения (спереди).

Промышленные шины, лидирующие на рынке

В настоящее время  на рынке присутствует около 50 различных  промышленных шин, однако главенствуют только 4 из них

• CAN,
• PROFIbus,
• LON,
• Foundation Fieldbus.

CAN (Controller Area Network) – последовательная  шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем.

CAN – это шина с  несколькими мастер-узлами на  основе пары медных проводников.  Скорость передачи данных по  этой шине зависит от длины  линии связи. На расстояния  до 40 метров данные могут передаваться  со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с.

Foundation Fieldbus - FF

Foundation Fieldbus – это название промышленной шины, поддерживаемой организацией Fieldbus Foundation. Как и CiA, Fieldbus Foundation тоже является ассоциацией, появившейся в результате слияния североамериканских компаний ISP- Foundation и WorldFIP.

После многих лет безуспешной  деятельности комитетов IEC (МЭК) и ISA по стандартизации единой универсальной промышленной шины в Fieldbus Foundation решили определить собственную шину, объединив несколько уровней самого разного происхождения. Таким образом, в Foundation Fieldbus используются

• базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость передачи в 31,25 Кбит/с, – на основе модифицированной версии физического уровня IEC 1158-2,
• скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью передачи в 1 Мбит/с – на основе IEC 1158-2,
• уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта стандарта унифицированной промышленной шины IEC/ISA SP 50.

Шина Foundation Fieldbus ориентирована на непрерывное управление во "влажных" производствах, в потенциально взрывоопасных средах и поэтому должна проектироваться на базе низковольтной малоточной логики. Шина Foundation Fieldbus очень похожа на шину PROFIbus-PA которая также имеет встроенные средства защиты. Кроме того, в ней имеются средства поддержки высокоуровневого супервизорного контроля.

LON

Шина LON (Local Operating Network) первоначально  разрабатывалась компаниями Echelon, Motorola и Toshiba для интеллектуальных систем автоматизации зданий. Однако сейчас она используется также и в промышленных системах автоматизации и контроля. Шина LON предназначена для поддержки распределенного интеллекта. Каждый "нейрон" (узловая микросхема) этой сети содержит по 3 микропроцессора, один из которых специально выделен для поддержания коммуникационного протокола LonTalk с довольно большими вычислительными издержками. Для облегчения такой вычислительной нагрузки к одному "нейрону" может быть подключено несколько более простых устройств. На базе 48-разрядных идентификаторов возможно построение сетей LON с числом узлов более 32000.

PROFIbus

Самой широко используемой в Европе и США промышленной шиной  для систем автоматизации и контроля является PROFIbus (PROcess FIeldbus). Эта шина разрабатывалась совместными усилиями нескольких компаний. Ее многосторонность отражается в применении как на горизонтальных, так и на вертикальных рынках.PROFIbus - это европейский стандарт (EN 50170), в настоящее время поддерживаемый в США профессиональной организацией PROFIbus Trade Organization. Есть несколько различных вариантов сетевого протокола PROFIbus, каждый из которых ориентирован на свою прикладную область:

• PROFIbus-FMS,
• PROFIbus-DP,
• PROFIbus-PA.

PROFIbus-FMS - это универсальный  коммуникационный протокол. В основном он используется различными супервизорными задачами на высшем уровне иерархии PROFIbus-системы. FMS стартовал в момент, когда пользователи производственных систем управления стали переключаться на протокол МАР (Manufacturing Automation Protocol). В результате многие элементы обмена сообщениями в FMS похожи на элементы МАР. Однако высокие накладные расходы этого протокола делают его неприемлемым для обслуживания низкоуровневых датчиков.

PROFIbus-DP - это оптимизированный  по производительности протокол, разработанный специально для поддержания критичного ко времени доставки обмена информацией между распределенными интеллектуальными узлами ввода/вывода на нижних иерархических уровнях системы PROFIbus. Этот протокол нижнего уровня в части оптимизации для межсоединения низовых интеллектуальных устройстваналогичен протоколу CAL. Он может использоваться в распределенных системах как с одним, так и с несколькими мастер-узлами, допуская подключение к шине до 128 устройств.

PROFIbus-PA обычно применяется  в системах автоматизации "влажных" химических и нефтеперерабатывающих отраслей, где из соображений безопасности необходима низковольтная и малоточная логика. Это, по сути, PROFIbus-DP, с теми же протоколами, но в иной физической реализации.

Век частно-фирменных  систем управления различными технологическими процессами быстро близится к закату. Сегодня никакой производитель не может поставлять всю номенклатуру требующихся в современных системах управления устройств. Для построения собственных систем от специалистов по автоматике требуется сейчас умение применять высокотехнологичные изделия разных компаний, и, естественно, эти изделия должны быть совместимыми.

Для гарантии совместимости  продукции различных производителей необходимы открытые стандарты аппаратных и программных средств. Одним из замечательных примеров реализации этой парадигмы в производстве систем управления является концепция OMAC (Open Modular Architecture Controller), разрабатываемая "большой тройкой" американских производителей автомобилей. В этой концепции для упрощения применения и повышения общности программирования систем управления производственными процессами определяется новый стандарт контроллеров. В качестве шины, обеспечивающей взаимодействие компонентов системы и снижение затрат на обслуживание и обучение персонала, выбрана шина PROFIbus.

Применение  стандартного клиент-серверного интерфейса в автоматизированных системах

Другим заслуживающим  упоминания стандартом является ОРС (OLE for Process Control). При помощи этого стандартного клиент-серверного интерфейса новые прикладные программы получат возможность обращаться к сервисным функциям существующих SCADA-систем, человеко-машинного интерфейса и других специальных средств управления и контроля. Появление подобного стандарта клиент-серверного интерфейса значительно упростит труд разработчиков прикладного программного обеспечения, традиционно вынужденных писать специализированные коды для получения доступа к данным низкоуровневых протоколов промышленных шин.

В этой области активны  следующие компании Intellution, National Instruments, Wonderware, Siemens.

Поскольку стандарт ОРС  объединяет в одну унифицированную  структуру OLE, ActiveX, COM и DCOM, он позволит различным офисным приложениям  для Windows обращаться как к информации низкоуровневых промышленных шин, так и к данным систем автоматизации и управления высокого уровня. В результате существенно упростится планирование производства, анализ выполнения графиков и представление информации, поскольку все данные будут извлекаться непосредственно из цехового уровня. Так как на все эти задачи накладываются менее строгие ограничения, то для снижения стоимости общей интегрированной системы возможно применение стандартных приложений, средств и утилит обычных настольных систем.