Проблемы конфигурирования компонентов автоматизированной системы управления технологическим процессом

21 июля 2014

 

Поделитесь статьей в социальных сетях

0

асутп

Будучи аспирантом (кстати, аспирантуру не закончил) я работал над темой диссертации, звучащей как «Разработка математической модели расчета параметров АСУТП». Сегодня случайно натолкнулся на самую первую вводную статью по своей теме.  В то же время это мой первый труд, который был опубликован в печатном издании, а именно в «Вестнике МГУПИ». По сей момент помню ощущение легкого восторга, которое охватывает при осознании данного факта. Помню, что статью старался выполнить в академическом стиле, усложнить текст для придания ему большего веса. Правда, это уже и не столь важно.

В настоящей статье рассматривается проблема выбора компонентов автоматизированной системы управления технологическим процессом при ее проектировании в условиях многокритериальности и отсутствии количественной оценки критериев.

На сегодняшний день без применения автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) не обходится ни одна из отраслей промышленности. АСУТП представляет собой совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. В текущий момент идет интенсивное развитие систем управления технологическим оборудованием и расширяется ее номенклатура, постоянно охватываются новые функции управления, совершенствуется программное обеспечение.

асутп

В связи с этим на автоматическое управление переводится все большее количество операций технологического процесса и производства в целом. Многие критические процессы изначально невозможно выполнить без использования СУ. Помимо техпроцесса автоматизированные системы управления проникают и в другие фазы производства, а именно обслуживающие и вспомогательные процессы, которые включают в себя технический контроль качества продукции, транспортное обслуживание, складирование, изготовление инструмента, управление энергоресурсами и др.

Средствами производственных АСУТП осуществляется управление большим количеством технического оборудования, реализующие основные и вспомогательные технологические процессы и выполняющие самые разнообразные функции, к ним относятся контроль и управление процессами, обмен данными, обработку, накопление и хранение информации, формирование сигналов тревог (alarm), построение графиков (trend), отчетов и т.п. При этом АСУТП обычно строятся по трехуровневому принципу.

Нижний уровень (полевой уровень, от англ. field) АСУТП состоит из различных датчиков (сенсоров), измерительных преобразователей и исполнительных механизмов. Этот уровень непосредственно воздействует на техпроцесс.

датчик

Средний уровень состоит из программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые принимают и обрабатывают данные с нижнего уровня и, в свою очередь, выдают команды в обратном направлении. Работа ПЛК осуществляется по циклу и заранее оговоренному алгоритму (чтение входов – обработка – установка выходов).

плк

Верхний уровень – уровень диспетчеризации (мониторинга) и сбора данных, а также их архивации и визуализации, т.е. наглядного (в виде мнемосхем) представления на экране сущности и параметров происходящего процесса.

scada

Важным элементом АСУТП являются сети передачи данных. Часто нижний и средний уровни АСУТП объединяются «полевой шиной», которая обеспечивает гарантированное время доставки пакетов, вследствие чего возможно создание распределенной системы управления реального времени. Верхний уровень АСУТП менее требователен к сети, которая строится, как правило, на технологии Ethernet, что позволяет легко интегрировать ее с АСУ предприятия, передавая данные процесса в базы данных предприятия (при соблюдении необходимых мер информационной безопасности).

Проектирование системы управления – процесс трудоемкий, требующий от специалистов соответствующего уровня знаний и опыта. Выбор аппаратных средств с оптимальным набором технико-экономических параметров для решения задач, стоящих перед АСУТП, с минимальными затратами – одна из основных проблем, с которой сталкиваются инженеры, занимающиеся автоматизацией технологических процессов. При этом надо учитывать, что для каждого конкретного производства проектируется своя АСУ, которая состоит из множества компонентов, образующих сложные внутренние взаимосвязи. Поэтому при разработке АСУ подходят с особым вниманием и тщательностью при выборе компонентов системы, учитывая все ее взаимосвязи и особенности. При этом весь комплекс таких компонентов должен соответствовать эксплуатационным характеристикам АСУ, требуемой функциональности, надежности, себестоимости, обеспечивать необходимую в будущем ее масштабируемость и пр.

С целью оптимизации проектирования АСУТП необходимо создать методику, которая предоставит разработчику математический, логический и методический аппарат, позволяющий упростить и оптимизировать процесс подбора компонентов системы управления. Основными предпосылками определяющие необходимость создания такой методики являются описываемые ниже проблемы.

Этапы разработки и конструирования таких систем требуют большого количества времени и экономических затрат. Но современный, ускоряющийся темп экономического развития накладывает одно из главных требований к процессу проектирования – сокращение сроков, которое сказывается, в первую очередь, на качестве проектирования и, как следствие, будущем функционировании системы.

Также отметим усложнение технологических процессов, что влечет за собой ужесточение требований к системам управления, расширение спектра технологического оборудования и увеличение количества выполняемых им функций.
Автоматизируемое технологическое оборудование (точнее полный перечень его сигналов) стараются «охватить» оптимальным количеством ПЛК, что представляет собой нетривиальную задачу. Ее выполнение закладывает основу и определяет дальнейшее направление построения вышестоящего уровня системы управления, такие как использование открытых или проприетарных технологий, обеспечение масштабируемости, иерархичности и т.п. свойств.

Современный рынок предлагает широкий спектр устройств для реализации систем управления, отвечающим требованиям по производительности, надежности и безопасности. Все устройства различаются между собой по техническим, эксплуатационным характеристикам и по потребительским свойствам. Разнообразие средств автоматизации и постоянное их развитие обусловлено тем, что современное производство генерирует множество новых нерешенных задач и постоянно повышает требования к оборудованию, удовлетворение которых обеспечивается и системами управления. Это приводит к постоянному увеличению и совершенствованию компонентов систем управления.

многообразие средств автоматизации

Среди столь разнообразных устройств автоматизации специалистам зачастую непросто сориентироваться при выборе оптимального оборудования, приобретать которое, с одной стороны, желательно у одного производителя во избежание возникновения рассогласованности каких-либо параметров этого оборудования. С другой стороны, один производитель иногда не способен предоставить полный перечень необходимых устройств в силу разнообразных причин, что вынуждает использовать оборудование разных производителей, и это влечет за собой усложнение выбора компонентов системы управления, их согласование и программирование, а также проектирование всей АСУТП.

Сколь разнообразен рынок, столь же многочисленны характеристики ПЛК, представленных на нем, которые выполняют несколько основных задач, например:

  • сбор и обработка информации с полевых устройств;
  • управление исполнительными механизмами;
  • обмен информацией с другими ПЛК или верхним уровнем системы управления и др.

Использование того или иного программного логического контроллера в первую очередь зависит от области его применения. Начиная от выполнения непроизводственных задач (например, кондиционирование воздуха, пожаробезопасность) и заканчивая автоматизацией больших производств, раскинутых на огромных площадях. Универсальные, специализированные или коммуникационные, ПИД-контроллеры, контроллеры для управления позиционированием и перемещением — вот небольшой перечень существующих типов ПЛК, выбор которых напрямую зависит от сферы применения.

Разрядность и архитектура ЦП, производительность (пропорциональная тактовой частоте ЦП), объем памяти (ОЗУ, ПЗУ, набор регистров), количество входов/выходов (аналоговых и дискретных), употребляемые под обобщенным понятием «мощность», главным образом влияют на способность ПЛК выполнять те или иные функции. Для того чтобы правильно подобрать оптимальные параметры оборудования, от специалиста требуются хорошие знания проблемной области и профессиональный опыт.

Наряду с вышеперечисленными параметрами выбор коммуникационной сети представляет не менее важную задачу. Сложность заключается в том, чтобы подобрать сеть, полностью удовлетворяющую множеству критериев, среди них электротехнические параметры, скорость передачи данных, расстояние между узлами, помехозащищенность, надежность, гибкость, стоимость и др.

Помимо вышеперечисленных технических характеристик выделим еще некоторые: синхронизация времени, ОС реального времени, обработка прерываний, архивирование данных, время реакции на событие, рабочий диапазон температур и множество других параметров.

Описанные нами проблемы показывают, что АСУТП является не тривиальной задачей, решение которой на данный момент основывается на простом сопоставлении технических характеристик компонентов системы управления решаемым задачам и условиям эксплуатации, а также на эмпирическом опыте проектировщика. Такой подход не позволяет на начальном этапе проектирования выбрать оптимальную конфигурацию систем управления, что приводит к большому количеству итераций при проектировании, приводящую к увеличению сроков и себестоимости проектирования, при этом правильность результата ни чем не гарантируется, кроме опыта инженеров.

выбор оптимальных компонентов

На текущий момент не выявлено каких-либо исследований, направленных на создание методики расчета (алгоритма определения) параметров аппаратной части системы управления с целью ее оптимизации и автоматизации проектирования (подбора программно-аппаратной платформы). С учетом этого можно сказать, что разработка предлагаемой методики является задачей актуальной и практически значимой. Предлагаемая методика позволит существующие эмпирические подходы выбора средств автоматизации формализовать и переложить на язык математики. В результате чего с ее помощью можно предоставить проектировщику инструмент, упрощающий и формализующий процесс конфигурирования компонентов АСУТП.

Литература
1. Федоров Ю.Н. справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. Учебно-практическое пособие. – М.: Инфра-Инженерия, 2008. – 928 стр., 12ил.

Авторы Павлов Н.Г., Холопов В.А.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*