Доктор технических наук, профессор, главный
научный сотрудник. Автор 14 монографий и свыше 300
статей по тематике автоматизации производства.
Консультант и эксперт предприятий, проектных
организаций,
разработчиков
средств
и
систем
автоматизации производственных объектов и служб на
предприятиях
технологического
типа
различных
отраслей промышленности.
Им
разработаны,
практически
опробованы
и
внедрены на предприятиях ряд методов и алгоритмов
планирования, построения, внедрения и эксплуатации
систем автоматизированного контроля и управления
технологическими
агрегатами
(АСУТП)
и
производственными службами (MES), повышающих
эффективность автоматизации производства.
В книге анализируется и обобщается современное
состояние автоматизации технологических агрегатов
(АСУТП) производств любого класса и приводятся
методы рационального планирования, проектирования,
внедрения, эксплуатации систем автоматизированного
контроля и управления режимами их работы.
ISBN 978-5-91450-196-6
Особенности современны х АСУТП
Эммануил Львович ИЦКОВИЧ
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
Э. Л. Ицкович
Особенности современных
АСУТП
Москва
ИПУРАН
2017
УДК 658.012.011.54/56
ББК 32.965
И96
Ицкович Э.Л. Особенности современных АСУТП / Э.Л. Ицкович. М.: ИПУ РАН, 2017. - 523 с.- ISBN 978-5-91450-196-6.
В монографии рассматриваются задачи перспективной автоматизации
производственных агрегатов предприятий технологического типа.
Анализируются современные технические и программные средства авто
матизации производственных объектов.
Выделяются варианты программно-технических комплексов (ПТК) и рас
пределенных систем управления (РСУ).
Приводятся рациональные методы планирования, построения и функцио
нирования АСУТП.
Рассматриваются направления развития средств и систем автоматизации
и перспективные алгоритмы автоматического контроля, учета и управления
работой технологического агрегата.
Исследуются важные для эффективного функционирования АСУТП меры,
методы и решения.
Научное издание предназначено для сотрудников служб КИПиА пред
приятий, специалистов проектных организаций, разработчиков АСУТП,
системных интеграторов в области автоматизации, научных работников,
специализирующихся в области автоматизации производства.
Это научное издание будет полезно преподавателям, аспирантам и может
быть использовано в качестве основы по курсу автоматизации производства.
Рецензенты: д.т.н., проф. Н. Н. Бахгадзе,
д.т.н., проф. В. А. Лотоцкий
Утверждено к печати Редакционным советом Института
Текст воспроизводится в виде, утвержденном
Редакционным советом Института
Краткое содержание монографии
Введение /Стр. 19-31/.
Содержание термина «АСУТП» и проблем планирования, построе
ния, внедрения, эксплуатации современных АСУТП.
Первая часть. Состав и функции современных технических и
программных
средств автоматизации в АСУТП /Стр 33 - 185/.
Раздел I. Типовые цифровые сети АСУТП.
Общие свойства сетей АСУТП. Характеристики и отличия различ
ных стандартных проводных и беспроводных сетей АСУТП. Развитие
сетей АСУТП.
Раздел II. Средства автоматизации полевого уровня АСУТП
Общие свойства современных датчиков. Обзор общепромышлен
ных классов датчиков. Развитие датчиков. Варианты и особенности ис
полнительных механизмов и регулирующих органов.
Раздел III Средства автоматизации промышленного уровня
АСУТП
Классы промышленных контроллеров. Свойства и характеристи
ки контроллеров. Программное обеспечение контроллеров. Развитие
контроллеров.
Раздел IV. Средства автоматизации информационного уровня
АСУТП
Свойства SCADA программ. Взаимодействия прикладных про
граммных компонентов, используемых SCADA-программой. Развитие
SCADA-программ.
Вторая часть. Особенности построения современных систем
автоматизации
производственных объектов /Стр 187 — 271/.
Раздел V. Структуры и функции систем автоматизации разных
производственных объектов
Системы контроля и управления рабочими режимами. Системы
противоаварийной защиты. Развитие систем автоматизации производ
ственных объектов.
Раздел VI. Защита средств и систем управления от внешних воз
действий и кибератак
Защита аппаратуры автоматизации от атмосферных и вредных про
мышленных воздействий. Защита информации в АСУТП от любых по
сторонних воздействий и кибератак .
Третья часть. Рационализация взаимодействия персонала
с системой автоматизации в АСУТП /Стр. 273 - 339/.
Раздел VII Новые способы представления информации
операторам
Учет психологических свойств оператора. Развитие способов пред
ставления информации оператору и сигнализации о нарушениях, требу
ющих управляющих реакций оператора.
Раздел VIIL Совершенствование работы персонала с системой
автоматизации
Административная поддержка персонала АСУТП. Тренинг
операторов и улучшение их связи с системой автоматизацией.
Повышение квалификации персонала КИПиА .
Четвертая часть, Перспективные методы автоматизации
работы технологических агрегатов /Стр. 341 - 395/.
Раздел IX. Развитие методов автоматического контроля и учета
Совершенные способы учета расходов материальных потоков и ла
бораторного контроля показателей качества. Эффективные варианты
виртуальных анализаторов показателей качества.
Раздел X. Развитие методов автоматического управления
Повышение точности работы существующих систем ПИД
регулирования. Перспективное усовершенствованное управление
технологическим процессом (АРС).
Пятая часть. Особенности управления всеми этапами
жизненного цикла АСУТП /Стр 397 -491/.
Раздел XL Методы планирования АСУТП
Методы разработки концепции рационального развития автомати
зации производства, прогноза эффективности планируемых АСУТП,
формирования требований на АСУТП.
Раздел XII. Реализация и эксплуатация АСУТП
Объективный метод проведения тендера. Решения проблем
разработки, внедрения и эксплуатации АСУТП. Типовые причины
недостаточной эффективности АСУТП на российских предприятиях.
Заключение. /Стр. 492 - 514/.
Эволюция и развитие АСУ технологического производства.
Предисловие
Ряд последних лет автором и сотрудниками лаборатории мето
дов автоматизации производства Института проблем управления
им. В. А Трапезникова РАН проводились работы в следующих
направлениях:
-разработка новых методов и алгоритмов контроля и управле
ния технологическими агрегатами, различными производственны
ми объектами и службами предприятий технологических отраслей
промышленности;
- оценка уровня автоматизации производства и формирование кон
цепции развития автоматизации производства предприятий технологи
ческих отраслей,
- техническая помощь предприятиям технологических отраслей
по повышению уровня автоматизации производства и обоснованию
эффективности отдельных планируемых систем автоматизации;
- консультирование разработчиков средств и систем автоматизации
в части особенностей запросов российского рынка и проведение техни
ческого анализа их продукции;
- методические рекомендации по организации и проведению
тендера для выбора системы автоматизации технологического агрегата
и объективное автоматическое определение победителя тендера;
- анализ и экспертиза разрабатываемых, внедряемых и эксплуатиру
емых систем автоматизации производства на предприятиях технологи
ческих отраслей.
Обобщающие результаты всех этих работ составляют основной ма
териал выпускаемых последние годы автором книг по особенностям
современной автоматизации производства предприятий технологиче
ских отраслей.
В 2009-ом году была опубликована монография «Методы рацио
нальной автоматизации производства» В ней рассматривалось со
временное состояние рынка автоматизации производства в России и
анализировались рациональные способы работы заказчиков систем ав
томатизации производства на этом рынке.
В выпущенной в 2013-ом году монографии «Методы комплексной
автоматизации производства предприятий технологических отрас
лей» рассматривается создание систем класса MES - автоматизировано
ных систем производственных служб предприятий технологических
отраслей.
В данной монографии «Особенности современных АСУТП» ана
лизируются основные особенности создания, внедрения и эксплуатации
современных автоматизированных систем управления технологически
ми процессами (АСУТП) различных производственных объектов на
российских предприятиях технологических отраслей.
Основные разделы книги посвящены:
- свойствам и характеристикам современных программных и техни
ческих средств АСУТП и путям их развития;
- методам защиты аппаратуры АСУТП и находящейся в ней инфор
мации от влияния различных помех промышленной среды и внешних
информационных угроз;
- усовершенствованным методам и алгоритмам контроля и управ
ления в АСУТП, значительно повышающим эффективность ее работы;
- анализу типичных недоработок и недостатков построения и экс
плуатации АСУТП на российских предприятиях и их преодолению;
- содержанию организационных и административных мероприятий
по поддержке эффективной работы АСУТП во время ее внедрения и
эксплуатации.
Материал этих трех книг (естественно, по субъективному мнению
автора) затрагивает большинство основных задач, которые приходится
в настоящее время решать заказчикам-предприятиям, проектным орга
низациям, системным интеграторам, разработчикам и производителям
программных и технических средств и систем автоматизации отдель
ных технологических агрегатов и других производственных объектов
предприятий технологических отраслей.
По содержанию и форме изложения данная книга (как и предыду
щие) рассчитана на следующий круг читателей:
- на руководящий персонал, принимающий решения по развитию
автоматизации производства на конкретных предприятиях;
- на сотрудников служб информатизации и автоматизации предпри
ятий технологических отраслей;
- на работников отделов автоматизации в проектных институтах, в
инжиниринговых фирмах, в НИИ и ОКБ;
- на системных интеграторов и генеральных подрядчиков систем ав
томатизации производства в отдельных технологических отраслях;
- на разработчиков, производителей и распространителей программ
ных и технических средств и систем автоматизации производства.
Книга может быть полезна как преподавателям кафедр информа
тики и автоматизации различных университетов, так и сотрудникам
возрождающихся курсов повышения квалификации персонала служб
информатизации и автоматизации предприятий. Она также позволит
аспирантам и научным работникам в области автоматизации производ
ства ознакомиться с перспективными задачами, решения которых могут
иметь достаточно широкое распространение на предприятиях техноло
гических отраслей.
Важные уточнения к излагаемому в книге материалу
1. Используемое наименование «Предприятия технологических
отраслей промышленности», ограничивающее область применения из
ложенных в книге положений и результатов, относится к предприятиям,
основу производства в которых составляют разные виды технологиче
ских процессов: предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки,
металлургии, энергетики, других подобных отраслей.
2. Объекты автоматизации, которые рассматриваются в книге, в по
давляющей части являются технологическими агрегатами. Однако для
тематики ряда разделов книги не существует различий в методах авто
матизации различных классов производственных объектов, будь то тех
нологический агрегат, насосная станция, эстакада отгрузки продукции
и т. п. Поэтому в этих случаях в книге основные при изложении имена
«Технологический процесс» и «Технологический агрегат» заменя
ются более общим наименованием «Производственный объект».
3. Автоматизация отдельных технологических агрегатов часто
не может отделяться от автоматизации взаимосвязанных с ними про
изводственных переделов типа хранилищ сырьевых компонентов,
полуфабрикатов, готовой продукции; участков компаундирования полу
фабрикатов и других объектов производства. Ввиду этого в книге затра
гиваются также вопросы автоматизации производственных объектов,
смежных к технологическим агрегатам.
4. В книге принципиально не перечисляются, не описываются,
не анализируются и не сопоставляются конкретные программные и
технические средства и системы автоматизации разных производите
лей, предлагаемые в настоящее время на российском рынке продуктов
автоматизации. Рассматриваемые в книге современные, перспектив
ные решения в области АСУТП не ссылаются на конкретные продукты
автоматизации разных производителей и не затрагивают их особенно
стей. Причины этого ограничения:
- исключение любых намеков на косвенное рекламирование авто
ром продукции каких-либо определенных производителей;
- убеждение автора, что, в отличие от журнальной статьи, книга
является продуктом более длительного использования, а продукция
автоматизации разных производителей модифицируется, совершен
ствуется и даже кардинально изменяется чуть ли не ежегодно; поэтому
любой анализ текущей, конкретной продукции может устареть еще до
выхода книги из печати.
Первая часть
Состав и функции современных технических
и программных средств автоматизации в АСУТП
Раздел I. Типовые цифровые сети АСУТП............................ 33
Глава 1.Свойства и характеристики промышленных сетей......
1.1. Особенности промышленных сетей.................................................
1.2. Характеристики промышленных сетей..........................................
1.2.1. Варианты физической среды сетей...........................................
1.2.2. Варианты структуры сетей.........................................................
1.2.3. Сетевые интерфейсы....................................................................
1.2.4. Модели взаимодействия в сетях................................................
1.3. Стандартизация промышленных сетей.........................................
1.4. Современное развитие промышленных сетей.............................
Глава 2. Проводные промышленные сети...........................................
2.1. Сети Profibus и Profinet.........................................................................
2.2. Сети Foundation Fieldbus и Foundation Fieldbus HSE...................
2.3. Сети Modbus и Modbus/TCP...............................................................
2.4. СетьНАКТ-протокол.............................................................................
2.5. Сеть Industrial Ethernet..........................................................................
Глава 3. Беспроводные промышленные сети......................................
3.1. Основные причины распространения беспроводных сетей....
3.2. Области применения беспроводных сетей....................................
3.3. Общие свойства беспроводных сетей.............................................
3.4. Сети по семейству стандартов IEEE 802.11.................................
3.5. Сети по стандартам IEEE 802.15.....................................................
3.5.1. Сеть ZigBee.....................................................................................
3.5.2. Сеть Bluetooth...............................................................................
3.5.3. Сеть Wireless HART.....................................................................
3.5.4. Сеть стандарта ISA 100.11а.........................................................
3.6. Направления развития промышленных сетей...............................
Раздел II. Средства автоматизации полевого уровня АСУТП
(датчики и исполнительные комплексы)............................................ 73
Глава 4. Общие свойства современных датчиков............................. 74
4.1. Классификация датчиков.................................................................... 74
4.2. Особенности современных датчиков.............................................. 75
4.3. Экономические преимущества использования современных
датчиков......................................................................................... 76
4.4. Структура современных датчиков................................................... 77
4.5. Реализуемые современными датчиками функции...................... 79
4.6. Перспективы развития современных датчиков............................ 81
4.7. Необходимые классы датчиков для контроля работы
технологических агрегатов....................................................... 85
Глава 5. Обзор общепромышленных классов датчиков................. 87
5.1. Датчики давления................................................................................. 88
5.2. Датчики объемного расхода.............................................................. 90
5.3. Датчики массового расхода............................................................... 95
5.4. Датчики плотности.............................................................................. 97
5.5. Датчики уровня..................................................................................... 100
5.6. Датчики температуры.......................................................................... 103
5.7. Поточные анализаторы качественных показателей................... 106
5.8. Датчики энергоресурсов..................................................................... 109
5.9. Датчики и измерительные комплексы текущего состояния
оборудования................................................................................. 112
5.10. Датчики безопасности....................................................................... 116
Глава 6. Исполнительные комплексы.................................................... 117
6.1. Классификация исполнительных комплексов............................... 118
6.2. Основные типы исполнительных механизмов.............................. 119
6.3. Основные типы регулирующих органов......................................... 122
6.4. Свойства современных исполнительных комплексов................. 126
Раздел III. Средства автоматизации промышленного
уровня АСУТП (промышленные контроллеры)................... 129
Глава 7. Виды промышленных контроллеров.................................... 130
7.1. Варианты контроллеров по их основным показателям............... 130
7.2. Варианты контроллеров по их техническому оформлению .... 133
7.3. Варианты выполнения технических компонентов (модулей)
контроллеров................................................................................. 135
9
7.3.1. Стандарт VMEbus........................................................................... 136
7.3.2. Мезонинные модули....................................................................... 137
7.4. Варианты операционных систем контроллеров............................ 138
7.5. Развитие промышленных контроллеров..........................................140
Глава 8. Характеристики промышленных контроллеров.............. 142
8.1. Характеристики центральных процессоров контроллеров.... 142
8.2. Характеристики операционной системы контроллеров.......... 143
8.3. Характеристики блоков ввода/вывода контроллера.................. 145
8.4. Характеристики открытости контроллеров.................................. 147
8.5. Характеристики надежности контроллеров..................................148
8.6. Характеристики работы контроллеров во внешней среде...... 150
Глава 9. Программное обеспечение промышленных
контроллеров.................................................................................................... 151
9.1. Стандарты среды программирования контроллеров....................151
9.1.1. Стандарт МЭК 61131-3..................................................................... 151
9.1.2. Стандарты МЭК 61499 и МЭК 61804........................................... 154
9.2. Конкретные реализации среды программирования
контроллеров.................................................................................. 156
9.2.1. Среда программирования CODESYS........................................ 156
9.2.2. Среда программирования ISaGRAF.......................................... 159
9.3. Библиотека типовых программных модулей контроллера....... 160
Раздел IV. Средства автоматизации информационного
уровня АСУТП (SCADA-программы)...................................... 162
Глава 10. Свойства SCADA программ.................................................... 164
10.1. Структуры SCADA программ......................................................... 164
10.2. Функции SCADA-программ............................................................. 165
10.3. Состав SCADA-программ................................................................. 167
10.3.1. Особенности инструментальных комплексов
SCADA-программ........................................................... 167
10.3.2. Особенности исполнительских комплексов
SCADA-программ........................................................... 168
10.4. Взаимодействие SCADA-программ с внешними
программными средствами.....................................................170
10.5. Качество работы SCADA-программ...............................................171
Глава 11. Взаимодействия прикладных программных
компонентов, используемых SCADA-программой........................... 173
11.1. Технология общения программ - OLE.......................................... 173
11.2. Компонентная объектная технология - COM/DCOM............... 174
10
11.3. Компонентная объектная архитектура- CORBA....................... 175
11.4. Взаимодействие программ на базе архитектуры ActiveX....... 176
11.5. Интерфейс взаимодействия программ в промышленных
системах автоматизации - ОРС.............................................................. 176
11.6. Язык запросов к реляционным СУБД- SQL...............................179
11.7. Обмен программ с СУБД на базе драйвера - ODBC................. 180
Глава 12. Направления развития SCADA-программ...................... 181
12.1. Развитие SCADA-программы по обслуживанию
контроллеров АСУТП................................................................................ 182
12.2. Развитие SCADA-программы по обслуживанию
оборудования (ЕАМ)................................................................................. 183
12.3. Развитие SCADA-программы по обслуживанию
службы диспетчеризации производства................................................ 184
Вторая часть
Особенности построения современных
систем автоматизации производственных объектов
Раздел V. Структуры и функции систем автоматизации
разных классов производственных объектов......................... 187
Глава 13. Системы контроля и управления рабочими
режимами производственных объектов................................................ 188
13.1. Системы автоматизации технологических объектов................. 191
13.1.1. Системы автоматизации малых технологических
объектов............................................................................ 191
13.1.2. Системы автоматизации технологических агрегатов
любого объема................................................................. 191
13.2. Системы автоматизации производственных хранилищ............ 192
13.2.1. Системы автоматизации резервуарных парков
жидких продуктов.......................................................... 192
13.2.2. Системы автоматизации складов сыпучих материалов. . .. 193
13.3. Системы автоматизации узлов поточного смешения
компонентов............................................................................. 194
13.3.1. Системы автоматизации узлов поточного смешения
жидких продуктов......................................................... 194
13.3.2. Системы автоматизации узлов поточного смешения
сыпучих материалов..................................................... 195
13.4. Системы автоматизации производственных объектов
в составе единой операторной производства................... 196
11
Глава 14.Системы противоаварийной защиты
производственных объектов..................................................................... 199
14.1. Основные показатели систем ПАЗ................................................ 200
14.2. Руководящие документы по созданию и эксплуатации
систем ПАЗ................................................................................201
14.3. Конкретные особенности построения и эксплуатации
систем ПАЗ................................................................................ 210
14.3.1. Особенности разработки технического задания
на систему ПАЗ..............................................................210
14.3.2. Свойства, которые должны быть учтены в проекте
на систему ПАЗ..............................................................211
14.3.3. Требования, которые должны быть указаны
в документации по эксплуатации системы ПАЗ... 213
Глава 15. Направления развития систем автоматизации
производственных объектов..................................................................... 214
15.1. Структурные развития отдельных уровней системы
автоматизации...........................................................................214
15.2. Перспективы слияния промышленного
и информационного уровней системы автоматизации.. 217
15.3. Ограниченные варианты структуры системы автоматизации
при наличии встроенных в оборудование средств
автоматики.................................................................................. 217
15.4. Интернет структуры системы автоматизации............................. 218
Раздел VI. Защита средств и систем автоматизации от
внешних воздействий и кибератак.......................................... 221
Глава 16. Защита аппаратуры автоматизации от различных
атмосферных воздействий.......................................................................... 223
16.1 Защита аппаратуры при разных климатических условиях
ее работы..................................................................................... 224
16.2. Защита аппаратуры от влаги и механических частиц............... 226
16.3. Защита аппаратуры от загрязнений, влияющих
на изоляцию................................................................................ 230
Глава 17. Защита аппаратуры автоматизации от вредных
воздействий промышленной среды......................................................... 230
17.1. Защита аппаратуры от электромагнитных помех....................... 231
17.2.Защита аппаратуры от взрывоопасной промышленной
среды............................................................................................. 234
17.3. Защита аппаратуры от химических активных газов
в промышленной среде............................................................ 239
12
17.4. Защита аппаратуры от внешних механических
воздействий: вибраций и ударов.......................................... 242
Глава 18. Защита информации в системах автоматизации........... 244
18.1. Защита информации от искажений при ее прохождении
и обработке в системе автоматизации.................................................... 246
18.2. Защита информации от помех среды............................................ 250
18.3. Защита информации от несанкционированного доступа к
средству или системе автоматизации...................................................... 251
18.3.1. Особенности защиты информации от
несанкционированного доступа к АСУ
производственных объектов........................................252
18.3.2. Существующие стандарты защиты информации от
несанкционированного доступа к АСУ
производственных объектов....................................... 254
18.3.3. Основной нормативный документ ФСТЭК по защите
информации от несанкционированного доступа к АСУ
производственных объектов....................................... 257
18.3.4. Другие документы ФСТЭК по защите информации
от несанкционированного доступа............................. 262
18.3.5. Рекомендации по применению существующих
нормативов по защите информации от
несанкционированного доступа при построении
и эксплуатации АСУ....................................................... 270
Третья часть
Рационализация взаимодействия персонала
с системой автоматизации в АСУТП
Раздел VII. Новые способы представления информации
операторам....................................................................................273
Глава 19. Учет психологических свойств оператора
при выборе методов представления ему информации.................... 275
19.1. Рекомендации инженерной психологии по выводу
на экран монитора информации............................................. 276
19.2. Анализ влияния различных способов представления
информации оператору на эффективностьегоработы....... 279
Глава 20. Развитие способов представления информации
оператору......................................................................................................... 280
20.1. Стандарты взаимодействия человека с компьютерными
системами................................................................................... 281
13
20.2. Образные способы представления информации оператору... 285
Глава 21. Система тревожной сигнализации о нарушениях,
требующих управляющих реакций оператора.................................. 294
21.1. Руководящие документы по организации системы
тревожной сигнализации.........................................................295
21.2. Приоритетное построение системы тревожной
сигнализации.............................................................................. 297
Раздел VIII. Совершенствование работы персонала
с системой автоматизации..................................................... 301
Глава 22. Совершенствование текущего функционирования
операторов........................................................................................................ 302
22.1. Психологическое сопровождение операторов............................ 302
22.2. Ознакомление персонала производственного объекта
с внедряемой системой автоматизации................................ 303
22.3. Восприятие операторами текущего хода технологического
процесса....................................................................................... 305
22.4. Связь числа операторов с уровнем автоматизации
производственного объекта.................................................... 306
Глава 23. Административное и организационное
сопровождение персонала производственного объекта................. 307
23.1. Недостатки существующей административной и
организационной поддержки персонала............................ 307
23.2. Принципы административного управления производством...309
23.3. Административные меры поддержки персонала АСУТП...... 310
23.3 1. Пересмотр должностных инструкций и нормативов
работы персонала............................................................ 311
23.3.2. Мотивация персонала за эффективность управления
объектом............................................................................ 312
23 3.3. Влияние заинтересованности руководства предприятия
в эффективном использовании АСУТП..................... 314
Глава 24. Обучение и тренинг операторов технологических
агрегатов............................................................................................................314
24.1. Основы обучения и тренинга операторов.................................... 317
24.2. Структура компьютерной тренажерной системы.......................320
24.3. Особенности выбора компьютерной тренажерной системы. .323
24.4. Источники эффективности применения компьютерного
тренажера..................................................................................... 327
14
Глава 25. Повышение квалификации персонала КИПиА
по выбору и обслуживанию средств и систем автоматизации..... 329
25.1. Организационные аспекты стажировки персонала КИПиА . . .330
25.2. Тематика лекционных занятий по изучению современных
средств и систем автоматизации............................................ 333
25.3. Тематика практических занятий по изучению современных
средств и систем автоматизации...........................................338
25.4. Принципиальные положения функционирования центра
стажировки................................................................................ 339
Четвертая часть
Перспективные методы автоматизации
работы технологических агрегатов
Раздел IX. Развитие методов контроля и учета.................... 341
Глава 26. Вычислительные способы учета расходов материаль
ных потоков.................................................................................................... 344
26.1. Учет расхода материального потока агрегата по
балансному уравнению всех потоков агрегата................. 345
26.2. Учет расхода материального потока агрегата,
заполняющего или опорожняющего хранилище..............346
26.3. Учет расходов материальных потоков в транспортной сети
продуктопроводов.................................................................... 347
26.4. Учет расходов материальных потоков в транспортной
сети продуктопроводов с хранилищами............................. 349
26.5. Дублирование оценки учетного значения расхода
материального потока различными независимыми
способами.................................................................................... 350
Глава 27. Совершенствование лабораторного контроля
показателей качества продукции........................................................... 352
27.1. Выбор рациональной частоты проведения лабораторных
анализов качественных показателей.................................... 353
27.2. Повышение точности оценки текущих качественных
показателей по их дискретным лабораторным анализам
использованием алгоритмов экстраполяции....................... 362
Глава 28. Виртуальные анализаторы показателей качества
продукции....................................................................................................... 369
28.1. Виртуальные анализаторы на базе регрессионных
уравнений................................................................................... 370
15
28.2. Виртуальные анализаторы на базе нейросети............................. 375
Раздел X. Развитие методов автоматического управления ...379
Глава 29. Совершенствование существующих систем
ПИД регулирования...................................................................................... 379
29.1. Автоматическая инспекция работы систем
ПИД регулирования................................................................... 380
29.2. Автоматическая настройка ПИД регуляторов.............................381
29.3. Добавление логических функций в систему
ПИД регулирования..................................................................... 383
Глава 30. Усовершенствованное управление технологическими
процессами....................................................................................................... 385
30.1. Принцип работы предикт-контроллера......................................... 385
30.2. Варианты использования предикт-контроллера......................... 387
30.3. Моделирование технологических процессов как основа
их оптимального управления.................................................. 391
30.3 1. Модели типовых процессов химико-технологического
производства..................................................................... 392
Пятая часть
Особенности управления всеми этапами
жизненного цикла АСУТП
Раздел Х1.Методы планирования АСУТП............................. 397
Глава 31. Прогноз эффективности планируемых
разработок АСУТП....................................................................................... 398
31.1. Изменения показателей работы автоматизируемого агрегата,
обоснованно пересчитываемые в экономические
показатели...................................................................................400
31.2. Изменения показателей работы автоматизируемого
агрегата, которые обоснованно не переводятся в
экономические показатели..................................................... 401
31.3. Метод прогноза оценки дополнительной прибыли
от имеющихся «твердых компонентов» эффективности в
планируемой системе автоматизации................................. 403
31.4. Оценка общей эффективности внедрения планируемой
АСУТП........................................................................................406
16
Глава 32. Методика разработки концепции рационального
развития автоматизации технологических агрегатов..................... 409
32.1. Методика поэтапной разработки концепции автоматизации.,410
32.2. Выбор исполнителя работ по созданию концепции развития
автоматизации технологических агрегатов......................... 415
Глава 33. Формирование технических требований на АСУТП.. . 417
33.1. Основные правила формирования технических
требований.................................................................................. .418
33.2. Особенности требований к средствам полевого уровня......... 420
33.3. Особенности требований к программно-техническому
комплексу (ПТК)........................................................................ 423
33.4. Особенности требований к проектированию и внедрению
АСУТП.......................................................................................... 425
Раздел XII. Реализация и эксплуатация АСУТП...................427
Глава 34. Методика проведения тендера по выбору АСУТП........428
34.1. Организация тендера......................................................................... 429
34.2. Экспертная оценка предложений................................................... 431
34.3. Компьютерная обработка и ранжировка тендерных
предложений.............................................................................. .441
Глава 35. Особенности проектирования, внедрения и
эксплуатации АСУТП................................................................................. 451
35.1. Необходимые работы на этапах проектирования
и внедрения АСУТП................................................................. 452
35.1.1. Взаимодействия заказчика и разработчика при создании
АСУТП......................................................................................... 452
35.1.2. Оценка эффективности, достигнутой при внедрении
АСУТП......................................................................................... 457
35.2. Необходимый аудит АСУТП на этапе ее промышленной
эксплуатации...............................................................................461
Глава 36. Причины недостаточной эффективности АСУТП
на российских предприятиях технологических отраслей..............468
36.1. Типовые недостатки работ по автоматизации производства...468
36.1.1. Недостатки планирования АСУТП........................................ 468
36.2. Неверное использование заказчиком термина
«Эффективность», искажающее оценку работы АСУ...... 472
36.3. Недостатки выбора системы автоматизации для АСУ
производственного объекта..................................................... 474
17
36.4. Недостатки проведения этапов проектирования, опытной
и промышленной эксплуатации АСУТП.............................. 480
36.5. Необходимые правила руководства работами по
рациональной автоматизации производства....................... 484
36.5.1. Внимание руководителей предприятий!.................................486
Введение
Предварительно целесообразно уточнить, что следует понимать под
широко используемым термином «АСУТП» и обозначить те проблемы,
которые возникают в продолжении всего жизненного цикла АСУТП
и не находят необходимого разрешения в подавляющем большинстве
российских предприятий технологических отраслей промышленности.
1. Что в действительности есть «АСУТП»
Естественно, что прежде рассмотрений различных аспектов постро
ения, внедрения, эксплуатации АСУТП (Автоматизированной Системы
Управления Технологическим Процессом) следует четко определить,
что следует понимать под наименованием «АСУТП» и каков состав си
стемы, которая может именоваться этим термином.
Состав АСУТП
Конкретное содержание АСУТП или ее необходимый состав авто
ру не удалось найти в стандартах. Лишь некоторые частные подходы
требований к включенному в состав АСУТП персоналу (операторам)
указаны в следующих стандартах:
1. ГОСТ 24.104-85. Автоматизированные системы.
Общие
требованияГ 1 ].
«1.3. Требования к подготовленности персонала АСУ.
1.3.1. Квалификация персонала АСУ должна обеспечивать эффек
тивное функционирование системы во всех заданных режимах.
1.3.2. Персонаж АСУ должен быть подготовлен к выполнению сво
их обязанностей в соответствии с инструкциями организационного
обеспечения.
1.3.3. Каждое лицо, входягцее в состав персонала АСУ, должно
применять соответствующие информационные модели и работать с
используемыми им техническими средствами и документацией, опре
деляющей порядок его деятельности.»
2. ГОСТ 34,601-90 Автоматизированные системы. Стадии создания [2].
«16. На этапе 7.2 ‘Подготовка персонала ” проводят обучение персонала и проверку его способности обеспечить функционирование авт ом ат изированн ой с ист ex i ы.
Удовлетворительное разъяснение термина «АСУТП», определяю
щее ее состав, приводится в Википедии свободной энциклопедии [3].
«Под АСУТП обычно понимается целостное решение, обеспечива
ющее автоматизацию основных операций технологического процесса
на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем от
носительно завершённое изделие. Понятие «автоматизированный», в
19
отличие от понятия «автоматический», подчёркивает необходимость
участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения кон
троля над процессам, так и в связи со сложностью ши нецелесообраз
ностью автоматизации отдельных операций. Как правило, АСУТП
имеет единую систему операторского управления технологическим
процессам в виде одного или нескольких пультов управления, средства
обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые
элементы автоматики: датчики, устройства управления, исполни
тельные устройства. Для информационного связи всех подсистем ис
пользуются промышленные сети.»
Полностью принимая данное определение АСУТП, подчеркнем
важнейшие ее свойства.
АСУТП является эргатической, т.е. человеко-машинной системой.
При ее создании необходимо разрабатывать как машинную - автомати
ческую, так и человеческую - операторную составляющие, чтобы они
работали согласованно, функционально дополняли друг друга, имели
бы аналогичные цели и критерии. Естественно, большая часть нагрузки
по контролю и учету технологического процесса ложится на машин
ную - автоматическую составляющую АСУТП (далее она называется
«Система автоматизации технологического агрегата»); а на анализ
измеряемых данных и на управление большая часть нагрузки и, глав
ное, ответственность за качественное функционирование технологи
ческого процесса достается человеческой составляющей АСУТП, т. е.
- операторам технологического агрегата.
Система автоматизации технологического агрегата имеет три иерар
хических уровня контроля и управления: нижний или полевой уровень,
средний или промышленный уровень, верхний или информационный
уровень.
1. К нижнему комплексы, состоящие из исполнительных механиз
мов и регулирующих органов. Эти технические средства непосред
ственно взаимодействуют с технологическим агрегатом, измеряя ход
технологического процесса (датчики) и изменяя режим его протекания
(исполнительные комплексы). Средства нижнего уровня информаци
онно взаимосвязаны с определенными промышленными контроллера
ми, расположенными на среднем уровне, и обмениваются данными с
ними через индивидуальные каналы связи или через цифровую поле
вую сеть между каждым контроллером и прикрепленными к нему дат
чиками и исполнительными механизмами.
2. К среднему, промышленному уровню контроля и управления от
носятся промышленные контроллеры. В больших, объемных техноло
гических агрегатах они могут составлять два иерархических слоя:
20
- контроллеры нижнего слоя (обычно нано-, микро-, малые и
частично средние по мощности контроллеры) через полевую сеть
взаимодействуют со средствами полевого уровня, получая от них
информацию об измеренных значениях величин, производя первичную
переработку этой информации и передавая управляющие воздействия
на исполнительные механизмы. Кроме того, они передают по
промышленной сети измеренные и переработанные значения величин
контроллерам верхнего слоя и техническим средствам верхнего уровня.
- контроллеры верхнего слоя данного уровня (большие и частично
средние по мощности контроллеры) получают информацию о работе
контроллеров нижнего слоя: о их управляющих воздействиях и о
реакции на них управляемых величин и вырабатывают корректирующую
подстройку параметров алгоритмов работы контроллеров нижнего
слоя, улучшающую качество их управления. Информационно они
через промышленную сеть взаимодействуют с контроллерами нижнего
слоя и с техническими средствами верхнего уровня, которым передают
данные о своих коррекциях.
3. К верхнему, информационному уровню относятся серверы,
проводящие углубленную математическую и логическую переработку
и хранение информации, получаемой по промышленной сети от
контроллеров, а также рабочие станции операторов, на которые по
информационной сети выдаются серверами необходимые операторам
измеренные значения величин, вычисленные учетные данные о работе
агрегата, разработанные серверами показатели и различные сведения
и сообщения, переданные от технических средств всех уровней.
Информационная сеть используется также для связи между собою
имеющихся в операторной агрегата рабочих станций, что позволяет им
взаимно резервировать друг друга.
Следует отметить, что все средства среднего и верхнего уровней
системы автоматизации практически реализуются в единой системе:
программно-техническом комплексе (ПТК).
Таким образом, в состав любой современной АСУТП входят:
-система автоматизации технологического агрегата, состоящая
из автоматических средств полевого уровня и микропроцессорного
программно-технического комплекса;
- операторы автоматизируемого технологического агрегата.
Фундаментом всей АСУТП является подсистема контрольно
измерительных приборов и исполнительных комплексов, и ее неполнота,
моральная и/или физическая устарелость, недостаточные точность
и надежность - не позволят построить совершенную и эффективную
АСУТП, независимо от совершенства ПТК и квалификации операторов.
21
Решающую роль в принятии правильных и эффективных
решений и управляющих воздействий на технологический процесс
выполняют операторы; ввиду этого даже отлично спроектированная
современная автоматическая часть АСУТП при слабой квалификации
операторов, недостаточного понимания ими возможностей ПТК, не
продуманной их связи с автоматической частью АСУТП, материальной
незаинтересованности в качественной работе агрегата - не позволят
построить совершенную и эффективную АСУТП.
Наиболее объемной и функционально загруженной частью АСУТП
является ПТК. Если его выбор проводится без детального технического
анализа современных перспективных ПТК разных производителей
и отобранный вариант не содержит рациональных алгоритмов
переработки измерительной информации, а (как это нередко происходит)
в основном выбор ПТК проводится по критерию его минимальной
стоимости, то построенная АСУТП, даже при отличном состоянии и
функционировании других ее частей, всегда по эффективности будет
уступать возможностям, которые могли бы быть достигнуты при
приобретении более технически совершенного и перспективного ПТК.
Распространенные на практике варианты
толкования термина «АСУТП»
На практике специалисты, отвечающие за разработку и
функционирование АСУТП, большей частью используют усеченные
толкования термина АСУТП, почти везде понимая под АСУТП (см.,
например, опубликованные недавно подробные статьи о разработках
АСУТП: [4] и [5]) только ее отдельные составляющие:
Заказчик, которым обычно является предприятие, приобретающее
новый технологический агрегат или заменяющее морально и физически
устаревшую систему автоматизации на действующем технологическом
агрегате, не формулирует конкретно состав планируемого АСУТП и
не касается его полного конкретного содержания (для этого, большей
частью, на предприятии нет соответствующих специалистов). В
подавляющем большинстве случаев, если речь идет о замене морально и
физически устаревшей системы автоматизации понимается под новым
АСУТП только новый программно-технический комплекс (ПТК),
который должен быть внедрен на данном агрегате. Нередко можно
объяснить это тем, что финансы на средства полевого уровня и на ПТК
идут по разным независимым статьям и не выделяются одновременно.
Если приобретается новый агрегат, то заказчик полагается на состав и
параметры АСУТП, предлагаемые поставщиком оборудования агрегата.
Относительно человеческой составляющей АСУТП и здесь, и всюду
далее в процессе разработки и внедрения АСУТП фиксируется только
22
необходимость обучения операторов использовать автоматическую
составляющую АСУТП; никакие другие аспекты функционирования
операторов в АСУТП не рассматриваются.
Разработчик технических требований на АСУТП, которым
большей частью являются либо отдел автоматики проектного института
соответствующей отрасли промышленности, либо поставщик
определенного ПТК, а значительно реже само предприятие-заказчик,
независимо от своей принадлежности к той или иной организации,
создает достаточно ограниченные требования не на АСУТП в ее полном
понимании, а только на автоматическую составляющую АСУТП, но
фактически сужая и ее содержание:
- либо в них совсем не фигурируют полевые средства (они предпо
лагаются заданными или уже имеющимися на агрегате);
- либо они присутствуют, но в недостаточном числе и не должном
качестве (обычно отсутствуют средства измерения всех или части энер
гетических затрат, не контролируется текущее состояние основного
оборудования агрегата, часть имеющихся датчиков не обладает доста
точной надежностью);
- недостаточное внимание уделяется необходимой точности оценки
измеряемых величин (особенно это касается контроля производитель
ности и качества, выпускаемой агрегатом продукции).
Проектировщик автоматической
составляющей АСУТП,
которым тоже является проектная организация или поставщик средств
АСУТП, в лучшем случае реализует заданные требования, а в ряде
случаев искажает и сужает их (если это проектная организация, то
повторяет уже проведенные ранее, не учитывающие современных,
перспективных средств, проекты автоматизации подобных агрегатов;
если это поставщик средств, то подгоняет требования под состав
и характеристики своих выпускаемых средств), пользуясь тем, что
детальной проверки разработанного техно-рабочего проекта заказчик,
большей частью, не проводит. Тем самым реализуются все недоработки
заданных технических требований, а зачастую к ним добавляются
еще и собственные ограничения и недостатки, что еще более снижает
качество функционирования АСУТП.
Поставщик технических и программных средств АСУТП,
естественно, реализует поставку необходимых по проекту средств,
не вникая конкретно в вопросы их достаточности, рациональности,
сформированных способов использования; и не подвергая анализу
заложенные в проекте решения. Он обычно не касается вопросов
правильности, полноты, эффективности реализации АСУТП, т. е. не
изменяет заданную ему не полноценную модель АСУТП.
23
Организация, внедряющая АСУТП (большей частью ею является
поставщик средств) добавляет свои недоработки:
- поверхностное ознакомление операторов автоматизируемых агре
гатов с возможностями и правилами общения с внедряемой системой
автоматизации;
- абсолютное отсутствие каких-либо конкретных требований, ре
комендаций, условий рационального функционирования человеческой
составляющей АСУТП и эффективного взаимодействия операторов с
автоматической составляющей АСУТП;
-достаточно формальное и недостаточно длительное проведение
этапа опытной эксплуатации внедряемой АСУТП и отсутствие перед
сдачей ее в промышленную эксплуатацию проверки умения операторов
взаимодействовать с системой автоматизации и, тем более, эффективно
ее использовать.
Фирма,
привлеченная
предприятием
для
сервисного
обслуживания АСУТП (обычно этой фирмой является поставщик
средств автоматизации или его дилер) понимает под АСУТП
установленные на предприятии технические средства ПТК, а под
названием «Сервисное обслуживание АСУТП» понимает наблюдения
за исправностью состояний контроллеров, серверов, рабочих станций и,
при необходимости, обеспечение их ремонта, что в действительности
составляет весьма малую долю необходимого сервисного обслуживания
основных компонентов функционирования АСУТП.
Руководство предприятия обычно не вдается в тонкости того,
что должно было быть внедрено под наименованием «АСУТП»; оно
соглашается и утверждает имеющийся вариант ее исполнения.
Необходимый учет полного состава АСУТП всеми участниками
ее разработки и эксплуатации
Если на всех стадиях жизненного цикла АСУТП придерживаться
ее необходимого, полного содержания и состава, то следует
скорректировать содержание всех этапов создания и функционирования
АСУТП, что несомненно существенно повысит эффективность ее
использования.
Заказчик, планирующий создание АСУТП, должен четко
указать, что разработка должна касаться не какой-либо части, а всех
рассмотренных автоматических и человеческих составляющих АСУТП.
Разработчик технических требований на АСУТП должен,
предварительно обследовав текущее состояние с контролем и
управлением технологического агрегата (если система планируется
для функционирующего на производстве процесса), сформулировать
требования на все составляющие АСУТП, учитывающие возможность
24
использования отдельных, существующих технических и программных
средств и имеющиеся формы управления операторами, нормативы
их работы и критерии поощрения. Если АСУТП планируется для
нового, приобретаемого агрегата следует обосновать структурно и
функционально требования на все составляющие АСУТП.
В части требований к средствам полевого уровня надо наметить
необходимый набор модификаций, замен, добавлений технических
средств, чтобы полностью точно, достоверно и надежно построить
фундамент АСУТП. Следует отметить, что даже если в данное время
заказчик не имеет средств на необходимую модернизацию средств
полевого уровня и ограничивается приобретением ПТК, надо все равно
сформулировать эти требования и в них обязательно указать: что без их
выполнения АСУТП будет ущербной и эти требования должны быть
реализованы в возможно более короткий срок.
Требования к ПТК должны подразделяться на требования к его
структуре и на требования к характеристикам его программных и
технических средств.
Не должны быть забыты требования коператорам автоматизируемого
технологического процесса. В них должны быть сформулированы
указания к проработке ряда
аспектов рационального поведения
операторов в составе разрабатываемого АСУТП, В частности, должны
быть отработаны обоснования целесообразного числа операторов
и функциональной ответственности каждого оператора; формы и
методы обучения операторов взаимодействию с автоматическими
средствами АСУТП; способы проверки качества работы операторов
по завершении этапа опытной эксплуатации АСУТП; необходимые
модификации нормативов и должностных инструкций операторов,
конкретизирующих их взаимодействия с автоматическими средствами
АСУТП; способы материальной мотивации операторов за эффективное
использование автоматических средств АСУТП.
Проектировщик и поставщик технических и программных
средств АСУТП должны выполнять свои функции в полном
соответствии с выше отмеченными техническими требованиями на
АСУТП. Важно подчеркнуть необходимость детальной проверки
разработанного технорабочего проекта и поставляемых программных и
технических средств, чтобы исключить любые отклонения от заданных
технических требований.
Организация, внедряющая АСУТП должна обязательно про
водить все работы на этапах внедрения и опытной эксплуатации си
стемы совместно с заказчиком, т. е. с предприятием, на котором
внедряется АСУТП, т. к. процесс внедрения требует проведения ряда
25
организационных и административных мероприятий касающихся
функционирования операторов, которые может выполнить только ру
ководство предприятия. В частности, они должны совместно реализо
вывать эффективное взаимодействие операторов с автоматическими
средствами АСУТП. Особое внимание должно быть уделено ими сле
дующим вопросам:
- результатам обучения операторов взаимодействию с автоматиче
скими средствами АСУТП в начале внедрения системы;
- сроку окончания этапа внедрения (стадии опытной эксплуатации),
только после фиксации выполнения всех требований к операторам ав
томатизируемого технологического процесса и проверки эффективного
функционирования АСУТП.
Фирма,
привлеченная
предприятием
для
сервисного
обслуживания
АСУТП,
или
подразделение
предприятия,
реализующая его, должна правильно воспринимать термин «сервисное
обслуживание», по смыслу которого она должна обеспечивать:
- слежение за исправной работой всех технических и программных
средств АСУТП и их необходимое обслуживание и ремонт;
- наблюдение за рациональной эксплуатацией операторами автома
тических средств АСУТП и корректировка их взаимодействия;
- периодическую проверку правильности всех настроечных параме
тров средств контроля и управления и их необходимую коррекцию или
указание о необходимых действиях;
- своевременную модификацию отдельных программных и техни
ческих средств АСУТП при любых изменениях и совершенствованиях
технологического процесса и/или оборудования агрегата;
- анализ деградации АСУТП со временем, т. е. периодический аудит
работы АСУТП, сопоставление текущих результатов работы с резуль
татами прошлых аудитов и разработка необходимых мероприятий по
совершенствованию работы АСУТП.
Руководство предприятии должно либо само, либо привлекая не
зависимую организацию, конкретно участвовать в создании и исполь
зовании АСУТП:
- проверять результаты проведения отдельных этапов разработки
АСУТП;
- полноценно, соответствующим персоналом предприятия, участво
вать во внедрении АСУТП;
- обеспечивать необходимые организационные и административ
ные мероприятия по поддержке АСУТП;
- отслеживать результаты периодических аудитов АСУТП.
26
Практические выводы, следующие из приведенных положений.
1. АСУТП не есть внедренное современное ПТК при нетронутых,
неполных, морально и физически устаревших средствах полевого
уровня. Более того, если даже внедрение затронуло все уровни контроля
и управления и построена необходимая автоматическая составляющая
АСУТП, но не обеспечена ее эффективное использование операторами
технологического агрегата, то и это не есть полноценное АСУТП.
2. Использование термина «АСУТП» при внедрениях только
указанных отдельных частей системы контроля и управления
приносит ощутимый вред, поскольку оно позволяет руководству
предприятия считать, что данный технологический агрегат имеет
вполне современную систему управления и не нуждается в добавочных
разработках и мероприятиях по совершенствованию его работы.
3. Любое АСУТП со временем деградирует; причем тем быстрее,
чем сложнее и совершеннее его средства автоматического контроля
и управления, поэтому без постоянного сервисного обслуживания
АСУТП, в том числе без периодического аудита работы системы
контроля и управления агрегатом - говорить о достаточно качественном
управлении агрегатом со временем все труднее, даже если в свое время
была внедрена полномасштабная, современная АСУТП.
2. Основные проблемы современных АСУТП
На всех этапах жизненного цикла АСУТП: планирования,
разработки, внедрения, эксплуатации - возникают достаточно типовые
проблемы, от рационального решения которых зависит успешность,
перспективность, эффективность, долговечность функционирования
АСУТП и, следовательно, конкурентность выпускаемой предприятием
продукции.
Ниже приводится наименование и краткая постановка основных
типовых проблем,
Проблемы этапа планирования АСУТП
На этапе планирования важно составить грамотную концепцию раз
вития автоматизации производства:
-рассмотреть необходимость или целесообразность создания, или
модернизации АСУТП на отдельных технологических агрегатах,
- определить состав и функции предполагаемых к разработке или
модернизации АСУТП;
- выполнить приближенный расчет затрат на реализацию предпола
гаемых АСУТП и определить примерный временной интервал их раз
работки и внедрения;
-обосновать прогнозируемую эффективность внедрения каждой
27
предполагаемой АСУТП;
- определить целесообразную последовательность предполагаемых
работ по развитию автоматизации производства с учетом существую
щих ограничений на финансовые затраты по автоматизации.
Приведенная в концепции стратегия должна базироваться на ана
лизе узких мест производства, на учете его потенциальных резервов и
на знании возможностей современных средств и систем автоматизации.
После утверждения концепции, на каждом временном этапе ее ре
ализации следует основное внимание уделить разработке технических
требований (ТТ) на каждую планируемую на этом этапе АСУТП, в ко
торых предусмотреть:
- полноту, конкретность, однозначность понимания ТТ;
- обязательность или рекомендательность отдельных положений
ТТ;
- фиксацию требований не только к машинной, но и к человеческой
составляющей АСУТП;
- оценку перспективности свойств и характеристик предлагаемых
на тендер средств и систем автоматизации в ТТ,
- учет необходимых нормативных документов по разработке АСУТП
и обязательных связей АСУТП с другими системами предприятия и т. п.
В требованиях должны быть отдельно отмечены необходимость
соответствия предложений на тендер нормативу по противоаварийной
защите, нормативу по информационной защите, нормативу по эконом
ному расходованию энергоресурсов
Технические требования не могут быть полноценными, если они не
содержат положений, учитывающих текущее многообразие предлагае
мых различными производителями средств и систем автоматизации, их
свойств и характеристик, их возможностей и перспективности.
Проблемы этапа разработки
системы автоматизации АСУТП
Процедура
выбора
производителей
средств
и
системы
автоматизации, разработчиков технорабочего проекта, исполнителей
монтажа и наладки средств должна выявлять действительно наилучших
производителей средств и исполнителей работ для данного конкретного
автоматизируемого объекта, что возможно на базе проведения
объективного тендера. Способ организации и проведения такого
тендера, полностью исключающего возможности некачественного и
недобросовестного сопоставления присланных на тендер предложений,
далеко отстоит от применяемых форм подавляющего большинства
тендеров, проводимых на российских предприятиях.
Остро стоит задача квалифицированного обеспечения полного и
28
достаточно тщательного контроля заказчиком выполненного проекта
и его точного соответствия заданным техническим требованиям на
АСУТП.
Проблемы внедрения АСУТП
Ряд важнейших проблем, влияющих на качество функционирования
АСУТП, должен быть решен на этапе внедрения при проведении
опытной эксплуатации АСУТП:
- формы участия будущего персонала АСУТП в работах по тестиро
ванию и внедрению средств и системы автоматизации;
- конкретизация способов обучения и тренажа операторов АСУТП
полноценному использованию системы автоматизации и проверки их
освоения форм взаимодействия с внедряемой системой автоматизации;
- конкретизация способов обучения и тренажа персонала службы
КИПиА работам по обслуживанию внедряемых системы и средств
автоматизации;
- способ и методика экспериментальной оценки полученной эффек
тивности внедряемой АСУТП;
- определение необходимых организационных и административных
мероприятий по поддержке персонала АСУТП и по мотивации его эф
фективной работы;
- способы оценки полномасштабного освоения персоналом АСУТП
функций контроля и управления на базе внедренной системы автома
тизации и учета всех замечаний персонала к ней до завершения эта
па опытной эксплуатации АСУТП и перевода ее в промышленную
эксплуатацию.
Проблемы этапа эксплуатации АСУТП
На этом, основном этапе жизненного цикла АСУТП необходимо не
допустить деградацию АСУТП. Для этого должны быть предусмотрены
и периодически выполняться специальные мероприятия по наблюдению
и анализу ее работы Это требует создания определенных конкретных
решений по содержанию и времени проведения этих мероприятий:
- методов формирования и проведения периодического тренажа
операторов по рациональной компенсации возможных неполадок, от
казов, аварийных ситуаций;
-способов оценки изменения эффективности функционирующей
АСУТП по сравнению с ее эффективностью, зафиксированной на этапе
ее опытной эксплуатации,
- разработки содержания и форм проведения периодических ауди
тов функционирующей АСУТП, определяющих наличие, причины и
свойства ее наблюдаемой деградации;
- методики оценки тех событий (изменений качества сырьевых
29
компонентов, модернизации оборудования агрегата и т. п ), которые тре
буют своевременной модификации программных модулей и техниче
ских компонентов системы автоматизации функционирующей АСУТП.
Общие проблемы управления автоматизацией производства,
стоящие перед руководством предприятий
Ряд последних десятилетий происходит все более нарастающий
объем средств и систем автоматизации, внедряемых на предприятиях.
При этом они становятся все более совершенными и реализуют все
большее число функций контроля, учета, планирования и управления;
работают все более точно и эффективно. В то же время они требуют
все более квалифицированного отбора, все более качественного
использования и обслуживания со стороны персонала предприятия.
Указанное развитие автоматизации производства принципиально
необходимо предприятию для сохранения его конкурентоспособности
в современных рыночных условиях существования.
Наряду с этим, как показывает проведенный анализ планируемых,
внедряемых и эксплуатируемых средств и систем автоматизации
на российских предприятиях разных технологических отраслей,
подавляющее большинство руководителей предприятий достаточно
хорошо понимая необходимость автоматизации, не представляют
возможностей современных средств и систем автоматизации, не
ориентируются в правильном направлении развития автоматизации
на предприятии, в необходимом выборе средств и систем, в
рациональной последовательности внедрения отдельных систем, в
необходимой организационной и административной поддержке их
внедрения и функционирования. Эти обстоятельства значительно
снижают эффективность работы систем автоматизации и не позволяют
предприятиям достичь нужной конкурентоспособности.
Общей проблемой рационализации всех работ по автоматизации
производства является доведение до руководителей предприятий
необходимых сведений о содержании этих работ и правил по их
управлению. В частности, необходимо внедрить на предприятиях
понимание следующих основ рационального управления работами по
автоматизации производства:
- важность единоначалия всех работ по автоматизации отдельных
производственных объектов;
- четкое понимание содержания наименований «АСУТП»,
«Эффективность автоматизации», «Возможности перспективных
средств и систем автоматизации»;
- важность создания обоснованной концепции развития автома
тизации производства, которая определяет стратегию разработки и
30
внедрения АСУТП;
- необходимость использования при внедрении систем автоматиза
ции нормативов по противоаварийной защите, по киберзащите, по эко
номии энергоресурсов;
- целесообразность объективного проведения тендеров на все при
обретения продукции автоматизации и все работы по внедрению си
стем автоматизации;
- правильность завершения этапа опытной эксплуатации только
после полного освоения персоналом АСУТП работы с системой авто
матизации и экспериментальной оценки эффективности внедренной
АСУТП;
- полезность пересмотра всех организационных нормативов и ад
министративных мер по функционированию и поддержке персонала
АСУТП;
- необходимость проведения комплекса мероприятий по периодиче
скому анализу качества работы эксплуатируемых АСУТП, целью кото
рых является компенсация их деградации.
На базе приведенных основ рационального управления работами
по автоматизации производства, требуется разработать правила, по
которым руководство предприятий должно принимать управляющие
решения, касающиеся работ по автоматизации производства.
31
Первая часть
Состав и функции
современных технических
и программных средств
автоматизации в АСУТП
Раздел I.
Типовые цифровые сети АСУТП
Общие положения
Любую современную систему автоматизации технологического
агрегата можно подразделить на три уровня:
- нижний, полевой уровень, на котором находятся датчики, испол
нительные комплексы и полевые сети, соединяющие средства полево
го уровня между собою, с контроллерами (или их выносными блоками
ввода/вывода) и (при необходимости) непосредственно с сервером
системы автоматизации; а также используемые для связи центрально
го блока контроллера с его выносными (удаленными) блоками ввода/
вывода;
- средний, контроллерный уровень, на котором расположены уни
версальные микропроцессорные контроллеры и связывающая их меж
ду собою, с сервером системы автоматизации и, в отдельных случаях, с
рабочими станциями операторов - промышленная сеть;
- верхний операторский уровень, состоящий из сервера, рабочих
станций операторов, отдельной информационной сети, объединяю
щей между собою все средства верхнего уровня или единой промыш
ленной сети контроллерного и операторского уровней. Имеющаяся на
этом уровне сеть может через межсетевой экран взаимодействовать с
информационными сетями вышестоящих уровней управления, напри
мер, уровня MES.
Если на начальном этапе построения микропроцессорных систем
управления технологическими процессами каждый производитель
разрабатывал свои закрытые для посторонних систем сети, то
позднее, под нажимом заказчиков, фирмы изменили свою политику:
они стали ориентироваться на открытие своих сетей для аппаратуры
других фирм. Постепенно выделился ряд промышленных и полевых
сетей, зарекомендовавших себя на практике удовлетворительными
для пользователей характеристиками, простотой обслуживания,
надежностью работы, которые приобрели характер межфирменных
и которыми стали оснащать свои системы разные производители.
Наконец, в 90-ые годы десятки компаний в разных странах
сосредоточились на стандартизации промышленных и полевых сетей,
что привело к появлению европейских, американских, а затем и общих
международных стандартов на разные классы производственных сетей.
В данном разделе выделены и рассматриваются современные
варианты сетей всех уровней АСУТП. По международной
33
классификации полевые сети не выделяются в отдельный класс, а входят
в общий класс промышленных сетей, обозначаемый в зарубежной
литературе наименованием “Fieldbus”, поэтому в данном разделе под
промышленными сетями имеются в виду, в том числе, и полевые сети,
а при необходимости выделяются черты, присущие только полевому
подклассу сетей.
Глава 1. Свойства и характеристики промышленных сетей
В настоящее время вся совокупность различных промышленных се
тей четко подразделяется на проводные и беспроводные сети, которые
различаются параметрами, связанными с физической средой передачи
данных; но по всем другим характеристикам их отличия незначитель
ны. В данной главе рассматриваются те общие свойства промышлен
ных сетей, которые не зависят от физической среды их линий связи.
1.1. Особенности промышленных сетей
Промышленные сети обладают рядом особенностей, выделяющих
их в отдельный класс, отличный от информационных сетей,
используемых на уровне различных производственных служб и бизнес
отделов предприятий.
Ниже приведены содержания требований к промышленным сетям,
которые определяют эти особенности:
- работа сетей должна проходить в режиме реального времени, что
предполагает высокую (доходящую до нескольких миллисекунд) ско
рость передачи сообщений;
- необходимо иметь гарантию передачи и доставки сетью всех вво
димых в нее сообщений по назначению за фиксируемое, детерминиро
ванное время;
- в сетях отсутствуют передаваемые большие массивы информации,
они должны быть ориентированы на передачу массы коротких сообще
ний, ни одно из которых не должно быть утрачено;
- сети должны надежно передавать информацию в любой промыш
ленной среде, в широких диапазонах различных промышленных помех
(например, распространенных на производствах электромагнитных
помех);
- предпочтительна организация сетей на недорогих физических сре
дах линий связи, учитывая, обычно не очень большие расстояния между
узлами сети и их широкое распространение на всех участках производ
ства, где должны работать современные системы автоматизации;
34
- необходима специальная защита аппаратуры сети, рассчитанная
на работу аппаратуры непосредственно в цехах производства:
- защита от вибрации и ударов;
- защита от влаги, пыли, грязи;
- защита от взрывоопасной и химически агрессивной среды.
Если выделить из промышленных сетей подкласс чисто полевых се
тей, то для их использования требуется, чтобы каждое подключаемое к
сети устройство (в том числе, любой прибор) имело вычислительный
ресурс (микропроцессор). Тогда подключение приборов к контролле
рам становится цифровым, децентрализованным; они объединяются
между собою цифровой, двунаправленной, последовательной комму
никационной сетью; при этом каждый прибор сможет обслуживать
двунаправленную связь. Подкласс чисто полевых сетей выделяется зна
чениями некоторых характеристик сетей: меньшей длиной сети, мень
шей требуемой скорости передачи данных по сети, меньшим объемом
передаваемых данных за цикл работы сети и, следовательно, должен
иметь меньшую стоимость технических сетевых компонентов.
1.2. Характеристики промышленных сетей
1.2.1. Варианты физической среды сетей
Физически связь в промышленных сетях реализуется либо
проводными вариантами:
- витой парой (двумя изолированными проводниками, скрученными
между собою),
- коммуникационным экранированным кабелем,
- одномодовым или многомодовым оптическим волокном (пучком
оптических волокон, используемых для переноса световых сигналов);
либо беспроводным вариантом:
- радиосвязью на не лицензируемом спектре частот (обычно 24002483,5 Мгц) при максимальной мощности излучателя менее 100 мВт
в открытой среде и менее 50 мВт в закрытой среде; и при дальности
излучателя - до нескольких сотен метров.
Проводник типа витой пары реализует достаточно дешевую и
просто реализуемую связь, но имеет значительные ограничения по
дальности и недостаточно высокую защиту от электромагнитных
помех. Коммуникационный кабель лишен этих недостатков, но он
существенно дороже и сложнее в прокладке по местности. Оптический
кабель (оптоволокно) имеет дальность передачи данных до 100 км и
электромагнитные помехи не сказываются на пластиковом оптическом
кабеле, но по стоимости и сложности прокладки он существенно
уступает медной среде передачи информации. Выбор типа проводной
35
связи определяется, обычно, исходя из следующих вариантов
требований:
- по имеющимся характеристикам устройств, требуемой протяжен
ности линии связи, минимально допустимому уровню сигнала на входе
наиболее удаленного приемника, максимально допустимому уровню
искажений сигнала - выбирается проводник такого типа, который обе
спечит максимально возможное значение скорости передачи данных;
- по имеющимся характеристикам устройств, требуемому значению
скорости передачи данных, минимально допустимому уровню сигнала
на входе наиболее удаленного приемника, максимально допустимому
уровню искажений сигнала - выбирается проводник такого типа, кото
рый обеспечит максимально возможную протяженность линий связи.
На предприятиях малого и среднего масштаба наибольшее
распространение получили сети, работающие на витых парах.
Беспроводной способ связи постепенно все более замещает
проводные соединения, поскольку он дешевле, существенно проще
прокладывается, быстрее внедряется; но все еще считается несколько
менее надежным и безопасным по сравнению с проводными линиями
связи.
Ниже в таблице даны примерные характеристики различных
физических сред сетей [1].
Характеристики
линии связи
Витая
пара
Кабель
Оптоволокно
Радиоканал
диапазон длины в км
0,01-1,0
0,140
1,0-более 10,0
1,0-более 10,0
диапазон скорости в
Мбит/с
0,01-2,0
0,3-10,0
1,0-100,0
0,01-0,03
затраты на установку
сети
низкие
средние
высокие
Наиболее
низкие
1.2.2. Варианты структуры сетей
Структуры сетей определяются способом сетевого объединения
разных узлов сети и методом доступа к сети, поскольку он определяет
надежность и время доставки сообщений получателю.
Промышленные проводные сети имеют следующие варианты
структуры.
Звезда. В сети имеется центральный узел и все прочие, периферийные
узлы обмениваются данными только через него, поэтому любой сбой
или неисправность его приводит к отказу всей сети. Это предъявляет
особые требования к надежности работы центрального узла. Он
36
управляет работой сети, обеспечивает доступ ко всем ее периферийным
узлам, а последние предоставляют равные возможности доступа к
ним. Расширяемость сети ограничена числом имеющихся портов в
центральном узле.
Кольцо. Все узлы объединены физической линией передачи данных в
виде кольцевой топологии. В кольце нет центра-все узлы равноправны.
Каждый узел сети периодически получает функции доступа к ней на
точно фиксированный интервал времени, когда он может отправлять
сообщение любому узлу сети, фиксируя его своей меткой. При этом
остальные узлы последовательно по кольцу получают это сообщение,
регенерируют его и со своей меткой передают в следующий узел
кольца. Когда узел отправленного сообщения получает его обратно со
своей меткой, то это означает, что отправленные им данные дошли до
адресата. Отказ любого узла сети приводит к нарушению ее работы,
если в ней не предусмотрены автоматические переключатели узлов.
Увеличение числа узлов в кольце не имеет ограничений, но при этом
будет увеличиваться время отклика на переданные сообщения.
Шина. Узлы подсоединяются к единой линии связи, при этом
передача сообщений реализуется между его отправителем и получателем
без захода сообщения в любые промежуточные узлы. Отказ любого узла
сети не влияет на работу сети со всеми исправными узлами. Основными
методами доступа в шинной структуре являются:
- ведущий/ведомый (Master/Slave), в котором право инициировать
циклы имеет только ведущий узел. Он запрашивает поочередно все ве
домые узлы и передает их готовые к отправке данные. Ведущий узел
может быть фиксированным или плавающим. Этот метод доступа яв
ляется наиболее простым и распространенным в промышленных сетях;
- передача маркера (the Token Passing Method), в котором пра
во на доступ к шине (маркер) передается в цикле от узла к узлу сети.
Распределение шинных ресурсов между всеми узлами производится в
соответствии с их запросами.
Распространенная структура промышленных беспроводных сетей:
- ячейковые сети, состоящие из сотовых ячеек ретрансляторов - ра
дио маршрутизаторов.
1.2.3. Сетевые интерфейсы
Промышленные сети используют стандартные физические
интерфейсы последовательной передачи данных: RS-232, RS-422, RS485, где RS - аббревиатура наименования Recommended Standard. Ниже
дано описание данных интерфейсов, соответствующих стандартам
EIA [2] (Ассоциации электронной промышленности). Стандарты EIA
37
устанавливают требования к электрическим параметрам передатчиков
и приемников двоичных цифровых сигналов, которые объединены
в систему связи подключением к общей линии связи. Он не касается
программных протоколов.
Вподавляющембольшинствесовременныхприборовпромышленной
автоматики применяются указанные интерфейсы ввода/вывода данных.
Сравнительно редко в настоящее время используется стандарт
1962 года (обновлен в 1987 году) - RS-232 [3] или его несколько более
поздняя модификация - RS-232C (передача данных в синхронном или
асинхронном режимах). RS-232 - обеспечивает соединение «точка к
точке» между последовательными портами приборов. Часто, за счет
усовершенствования передатчика и линии связи, достигается большие
длина линии и скорость, чем зафиксировано в стандарте.
Чаще применяют более современный интерфейс - RS-422 и почти
повсеместно используют наиболее совершенный из рассматриваемых
интерфейсов - RS-485, являющийся его развитием (стандарт RS-485 [2]
выпущен последним в 1983 году).
RS-422 и RS-485 имеют, в отличие от RS-232, дифференциальный
электрический сигнал передачи, который использует двухпроводную
связь так, что по каждому проводу проходят передающие и
обратные приемные сигналы. Это дает возможность резко поднять
устойчивость передачи к помехам и увеличить длину линии связи по
сравнению с интерфейсом RS-232. Так, устройства, соответствующие
стандарту RS-485, работоспособны при воздействии на них таких
не скомпенсированных разностей потенциалов земли передатчиков
и приемников, напряжений помех, напряжений смещения выходов
передатчиков, которые в совокупности лежат в диапазоне-7-+7в. Если
значение разности потенциалов между землей передатчика и приемника
выходит за пределы допустимого диапазона, то следует применять
устройства с гальванической изоляцией.
RS-485 имеет наибольшее число подключаемых к линии связи
приборов; высокую скорость передачи данных; достаточную для
большинства промышленных применений длину линии связи. Полная
система связи интерфейса RS-485 включает в себя ряд передатчиков
и ряд приемников (в одном узле системы возможно также сочетание
передатчика и приемника), соединенных симметричным кабелем.
Устанавливаемые стандартами электрические значения параметров для
интерфейсов RS-422 и RS-485 близки; это обеспечивает возможность
разработки передатчиков и приемников, соответствующих требованиям
обоих стандартов.
Электрические параметры указанных устройств в системе
38
с интерфейсом RS-485 выбраны так, чтобы была возможность
функционирования
передатчика
на
эквивалентную
нагрузку,
соответствующую 32-м абстрактным устройствам, включенным в
систему. Реальные устройства отличаются по эквивалентной нагрузке
от абстрактных, поэтому конкретное максимальное число устройств,
которое можно подключить к системе связи определяется статическими
характеристиками нагрузки всех устройств системы.
Устройства, электрические параметры которых приведены в
стандарте, могут быть применены для обмена данными в RS-485 при
скорости передачи до 10/100 Мбит/с. Действительная скорость передачи
данных определяется длиной и параметрами соединительной линии
связи, степенью симметрии и качеством согласования линии связи.
Ниже в таблице приведены главные черты рассмотренных трех
последовательных интерфейсов.
Характеристики
интерфейса
RS-232
RS-422
RS-485
Тип передающей линии
передачи данных
Несбаланси
рованный
Дифференци
альный
Дифференциа
льный
Максимальное число
передатчиков
1
1
32
Максимальное число
приемников
1
10
32
Максимальная длина
линии связи в м
15,2
1200
1200
Максимальная скорость
передачи
20 Кбит/с
10 Мбит/с
10, 100 Мбит/с
и более
1.2.4. Модели взаимодействия в сетях
Типовое сетевое взаимодействие средств и систем реализуется по
модели OSI (open system sinter connection basic reference model). Она
разработана и утверждена международным стандартом, который имеет
российский перевод - ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99 [4]. OSI-модель
состоит из семи уровней, каждый из которых выполняет определенную
функцию. Накаждом уровне могут использоваться различные протоколы
данного уровня. Номера уровней зафиксированы в стандарте.
Уровень № 1. Физический уровень
Он определяет интерфейсы среды передачи данных (витая пара,
кабель, оптоволокно, радиосигнал) и проводит операции с двоичными
39
данными: реализует передачу битового потока источником данных и его
прием получателем данных. Сама физическая среда передачи данных
им не рассматривается. Интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485 относятся
к физическому уровню OSI; к нему же относятся беспроводные
интерфейсы стандарта IEEE 802.15.4 (Bluetouth), группы стандартов
IEEE 802.11 и другие.
Уровень № 2. Канальный уровень
Он контролирует достоверность передачи данных по физическому
каналу. На передающей стороне из передаваемых данных формируются
кадры и в них добавляются управляющие сведения о кадрах,
гарантирующие доставку этих кадров получателем. Получатель
проверяет по ним полноту каждого полученного кадра и высылает
отправителю подтверждение приема. Любые искажения в переданных
кадрах обнаруживаются и исправляются на канальном уровне.
Уровень № 3. Сетевой уровень
Он поддерживает логическую адресацию маршрута сообщений,
устанавливая связь источника данных с их получателем, находящихся
в разных сегментах сети. При нахождении источника и получателя в
одном сегменте сети использование сетевого уровня необязательно.
Уровень № 4. Транспортный уровень
Он проводит передачу сообщений и контролирует их прием при
нахождении источника и получателя данных в разных сегментах сети.
Транспортный уровень определяет исходную последовательность
передаваемых данных, определяет возникающие нарушения в
последовательности их приема и исправляет их.
Уровень № 5, Сеансовый уровень
Он определяет направленность передачи данных, создает и
завершает сеансы связи разных сетей и следит за завершением каждого
запроса до принятия следующего. Его использование во многих
конкретных протоколах не требуется.
Уровень № 6, Представительный уровень
При передаче сообщений из одной сети в другую он производит
преобразование кодов и форматов данных, шифрование/дешифрование
данных.
Уровень № 7. Прикладной уровень
Он реализует взаимодействие пользовательских пакетов с сетью,
непосредственно инициируя сеанс связи.
Независимо от модели OSI, еще до ее стандартизации, был разра
ботан стек протоколов TCP/IP [5]. (Transmission Control Protocol /TCP/,
Internet Protocol /IP/), который иначе реализует функции, аналогичные
модели OSI. Он используется в сетях различного назначения, в том
40
числе в промышленных сетях. Этот стек включает в себя 4 уровня се
тевых протоколов.
Уровень № 1. Канальный уровень
В нем описывается применяемая физическая среда передачи
данных, т. е. он включает в себя нижний, физический уровень модели
OSI. Нанем реализуются протоколы канального уровня Ethernet, Wire
less Ethernet, IEEE 802.11 и пр.
Уровень № 2. Сетевой уровень
На этом уровне протокол IP реализует межсетевой обмен,
независимый от протоколов канального уровня. Он экономно использует
пропускную способность низкоскоростных линий связи.
Уровень № 3, Транспортный уровень
Он обслуживается протоколом TCP, устанавливающим соединение
отправителя и получателя и дающим получателю безошибочные
сообщения, устраняющие дублирование. Он перезапрашивает данные
в случае их потери и гарантирует правильную последовательность
получения данных.
Уровень № 4, Прикладной уровень
Он реализует обмен приложений, объединяет три верхних уровня
моделиО51, выполняя функции прикладного, представительского и
сеансового уровней моделhOSI .
Важно отметить, что TCP/IP не зависит от физической среды
передачи данных и работает в любой физической среде.
Взаимодействие отдельных сетей друг с другом реализуется
межсетевыми интерфейсами, которые обычно выполняются в
компьютерах с соответствующим программным обеспечением:
- шлюзами, объединяющими сети, которые имеют различные про
токолы на всех уровнях OSI. Они преобразуют протоколы всех семи
уровней OSI, формат переданных информационных пакетов, кодировку
данных;
- маршрутизаторами, которые могут перераспределять нагрузки в
разных линиях связи между сетями, соединять сети с разными мето
дами доступа к ним, выполнять функции уровня № 4 OSI. Они, кроме
того, на основании адреса передаваемого пакета определяют узел его
получателя и посылают пакет по линии сети к этому узлу, не дублируя
его по другим линиям и не передавая его по всем узлам сети, что сокра
щает загрузку сети;
- мостами, соединяющими сети разных топологий, но имеющих
одинаковые сетевые операционные системы. Они определяют график
передачи данных между сетями, имеющими одинаковые протоколы на
уровнях №№ 3-7 OSI;
41
- повторителями, объединяющими сети, которые отличаются про
токолами только на уровне № 1 OSI. Они усиливают электрические
сигналы и производят регенерацию передаваемых пакетов данных, что
электрически разделяет взаимодействующие сети.
1.3. Стандартизация промышленных сетей
Стандартизация промышленных сетей имеет большое значение
для упрощения реализации связи аппаратуры автоматики разных
производителей друг с другом, поскольку стандартизация делает сети
открытыми. Открытость сетей обозначает их следующие свойства:
- публикуются полные спецификации сетей, которые всем доступ
ны для применения;
- на рынке имеются компоненты сетей, поставляемые рядом незави
симых поставщиков;
- одни и те же сети применяются в системах автоматизации различ
ных производителей;
- технические средства автоматизации, выпускаемые разными ком
паниями, имеют компоненты связи с этими сетями.
Иначе говоря, открытая промышленная сеть обладает рядом осно
вополагающих качеств:
- возможностью свободного включения в сеть устройств разных
производителей;
- возможностью построения сети на компонентах разных
поставщиков;
-возможностью замены компонентов аналогичными, но произве
денными другими фирмами.
При этом каждый разработчик системы автоматизации может
использовать для построения сети любые программное и техническое
обеспечения, которые для этой сети наработали разные фирмы. Он может
также в соответствие со стандартом выполнить собственные разработки
и последние смогут использоваться другими разработчиками.
Все разработчики промышленных сетей давно осознают важность
стандартизации промышленной сети. В 90-х годах это привело к
возникновению различных национальных и межнациональных
стандартов, в которых стандартными были признаны более десятка
промышленных сетей.
Так, в 1991 году был утвержден национальный немецкий стандарт
DIN 19245 на спецификацию промышленной сети Profibus (PROcess
FleldBUS) [6]. Над ним работала группа специалистов из 13 фирм и 5
институтов.
42
В 1996 году американские разработчики, объединенные ассоциацией
FildbusFoundation, выпустили стандарт на промышленную сеть Founda
tion Fildbus [7]. В том же 1996 году был утвержден европейский стандарт
на промышленную сеть EN 50170 [6]. Этот стандарт зафиксировал в
качестве регионального европейского стандарта три ранее принятых
национальных стандарта: немецкий - Profibus, французский - WorldFIP,
датский - P-NET.
Основной международный орган по стандартизации систем
автоматизации - международная электротехническая комиссия МЭК
(IEC) еще в 1984 году начала разработку единого международного
универсального стандарта промышленной сети, но только в 1999 году
был согласован и одобрен первый вариант общего международного
стандарта на промышленную управляющую сеть - стандарт IEC
61158 (российский аналог текущего варианта стандарта: ГОСТ Р ИСО
15745-2010 [8]). В первом и в последующих вариантах этого стандарта
не удалось добиться согласования мнений разных стран и ведущих
фирм и поэтому в нем признаются стандартными ряд независимых
и несовместимых коммуникационных технологий. Так, в последний
вариант стандарта включены сети: ControiNet, Profibus, Р-Net, WorldFIP,
Interbus, SwiftNet, Foundation Fieldbus, High Speed Ethernet.
На практике (вне зависимости от включения отдельных сетей в
международный стандарт) подавляющее распространение в системах
автоматизации технологических процессов имеют в настоящее время
следующие открытые промышленные проводные сети:
- Profibus;
- Foundation Fieldbus;
- Modbus;
- HART-протокол.
Практически это обусловлено несколькими основными центрами
притяжения для разработчиков разных стран, выпускающих открытые
промышленные сети и аппаратуру, которая должна работать с открытой
промышленной сетью. Этими основными центрами притяжения
являются для европейских производителей промышленная сетьРгойЬus, для американских производителей - промышленная сеть Foundation
Fieldbus. Мало уступают им по популярности у разработчиков АСУТП
промышленная сеть Modbus и полевая сеть HART-протокол.
С начала XXI века возникло бурное развитие промышленных
беспроводных сетей и все большую роль стала играть международная
стандартизация их реализации.
43
1.4. Современное развитие промышленных сетей
Исторически на предприятиях сложилась ситуация наличия двух
разных классов сетей:
- информационных, офисных сетей для бизнес отделов (отделов
заводоуправления);
- промышленных
сетей
для
производственных
систем
автоматизации.
Доминирующими в информационных, офисных сетях любых
организаций различного объема и распределения на местности
являются, уже в течение многих лет, решения на базе локальной сети
Ethernet.
Основная идеология сети Ethernet была разработана еще в 70-х
годах. Стандарт Ethernet на 10 Мбит/с был принят в 1982 году.
Начиная с 1983 года и практически по настоящее время Институтом
инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) принимается и
расширяется семейство стандартов IEEE 802.3 [9], которое практически
почти полностью соответствует различным существующим и
разрабатываемым вариантам сети Ethernet по быстродействию (10,100,
10 000 Мбит/с), по виду физического носителя передачи данных (витая
пара, тонкий и толстый коаксиальный кабель, оптическое волокно), по
особенностям электропитания сети.
Кроме указанных вариантов сети Ethernet по быстродействию и по
физическому носителю передачи данных следует выделить следующие
ее характеристики:
- топологией сети является шина либо звезда;
- диапазон сегмента сети (расстояния между соседними узлами) за
висит от физического носителя, метода и скорости передачи сообщений
и находится в пределах от 100 до 1000 м и более;
- передаваемые сообщения могут адресоваться определенному узлу
сети, выделенной группе узлов сети, всем узлам сети;
- каждый узел сети видит все сообщения, идущие по сети, и если
они адресованы данному узлу, то он отбирает их для обработки;
- в качестве протоколов разных уровней связи используется стек
протоколов TCP/IP, который функционирует независимо от имеющего
ся варианта физической среды сети;
- важнейшей характеристикой сети Ethernet является используе
мый в ней случайный метод доступа любого узла к сети: Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection |CSMA/CD| - множественный
доступ с контролем несущей и с обнаружением столкновений.
Практически, при случайном методе доступа каждый узел прослу
шивает шину и если она свободна, то он занимает ее. Если несколько
44
узлов одновременно хотят занять шину (конфликтная ситуация), то они
снимают свои заявки и включают случайные генераторы, которые за
дают случайный интервал ожидания до следующего момента запроса
шины. Ввиду этого сеть не может гарантировать передачу и доставку
всех вводимых в нее сообщений по назначению за точно фиксируемое,
детерминированное время, т. е. этот метод доступа не удовлетворяет
общему требованию к промышленной сети.
Заметим, что все же существует достаточно редкое использование
этого метода доступа в промышленных сетях при следующих ограни
чениях на условия работы системы автоматизации:
- система работает не в жестком реальном времени, что предпола
гает возможность некоторого отступления от указанного требования;
-средняя загрузка сети достаточно низкая: порядка 10-30% от ее
производительности, что обеспечивает низкую вероятность конфликт
ных ситуаций узлов сети.
Наличие на предприятиях указанных двух классов взаимосвязан
ных систем (офисных и промышленных) привело к необходимости
широкого применения специальных шлюзов для связи сети Ethernet с
типовыми промышленными сетями. Ряд фирм разных стран выпускают
такие шлюзы.
В прошедшее десятилетие появилась новая тенденция внедрения
повсеместно распространенной сети Ethernet в область промышленных
сетей, включая даже подкласс полевых сетей.
Основной причиной использования сети Ethernet в этой области
является:
- целесообразность взаимной информационной совместимости
промышленной автоматизации с миром информационных технологий
(эта задача становится особенно актуальной при создании интегриро
ванных АСУ на предприятиях, в которых в режиме реального времени
должны совместно взаимодействовать сети всех уровней управления).
Построение всех сетей предприятия.
- сети корпоративной системы ERP, связывающих бизнес отделы,
- сети класса MES, обслуживающие производственные службы,
- сети систем автоматизированного управления отдельными произ
водственными объектами по единому открытому стандарту' Ethernet, позволяет легко общать
ся им друг с другом и оперативно взаимодействовать без сложных шлю
зов различных типов сетей.
Важными являются также следующие факторы:
-унификация характеристик всего сетевого оборудования на
предприятиях и повсеместное использование протокола TCP/IP,
45
упрощающее и облегчающее его внедрение и обслуживание;
- меньшая стоимость компонентов сети Ethernet по сравнению с це
нами компонентов типовых промышленных сетей.
Однако, есть целый ряд существенных препятствий к использова
нию такой тенденции развития промышленных сетей:
- техническое оборудование сети Ethernet не приспособлено для ра
боты в промышленных условиях: запыленности, влаги, взрывоопасно
сти, производственных помех и т. п.;
- используемый в Ethernet метод случайного доступа не гарантирует
доставку сообщений в необходимое время;
- Ethernet не имеет средства интерпретации доставляемого по сети
сообщения (текст или число, или что-то еще);
- надежность передачи сообщений, контроль за возможностью их
искажений или потерь отдельных бит не соответствует требованиям
промышленных сетей.
Чтобы исключить или уменьшить эти препятствия ряд ведущих
мировых фирм и производителей средств автоматизации провели
работы по необходимой модернизации сети Ethernet и создании
такого ее варианта, который может считаться промышленной сетью
и конкурировать с типовыми промышленными сетями. Этот вариант
получил наименование Industrial Ethernet [10].
В последние годы стали выпускаться и распространяться также
версии проводных промышленных сетей, сочетающие протоколы
промышленных сетей с протоколами сети Ethernet. Они применяют
формат пакетов данных, соответствующих прикладному протоколу
определеннойпромышленнойсети;ав качестве протоколатранспортного
уровня noOSI-модели реализуют TCP/IP и используют в качестве порта
физического уровня интерфейс RS-485, что соответствует сети Ethernet.
Так появились типовые промышленные и полевые сети, совмещающие
свойства определенной промышленной сети реального времени с
протоколами отдельных уровней сети Ethernet и с детерминированным
временем доставки сообщений. К ним относятся сети: Profinet, Founda
tion Fieldbus HSE (High Speed Ethernet), Modbus/ТСРи ряд других.
Глава 2. Проводные промышленные сети
В настоящее время подавляющее число производителей систем
автоматизации для технологических агрегатов
поддерживают
следующие стандарты промышленных сетей: Profibus, Foundation Field
bus, Modbus, HART-протокол. При этом сети Profibus и Foundation Field
bus лидируют в существующих АСУТП на российских предприятиях.
46
В последние годы достаточно широкое и все более увеличивающееся
распространение в рассматриваемой области автоматизации получили
промышленные проводные сети на базе сочетания протоколов
указанных промышленных сетей с протоколами информационной сети
Ethernet. К ним, как отмечено в предыдущей главе, относятся сети: Profinet, Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet), Modbus/TCP.
Наконец, в качестве промышленной сети стала использоваться
проводная сеть Industrial Ethernet.
Ниже
рассмотрены
основные
характеристики
указанных
промышленных проводных сетей.
2.1. Сети Profibus и Profinet
Сети Profibus с начала 90-х годов получили наиболее широкое
распространение
среди европейских
производителей
средств
автоматизации. Специальная организация пользователей сетей Profib
us PUO (Profibus User Organization) проводит сертификацию устройств
на соответствие утвержденному стандарту Profibus [6]. Сотни заводов,
исследовательских институтов, заказчиков средств автоматизации
входят в эту организацию.
Использование сети на разных уровнях и в разных условиях
обеспечивается тем, что сеть поддерживает три разных вида протоколов:
- протокол Profibus-DP на полевом уровне для децентрализованного
соединения и быстрой коммуникации контроллера с удаленными бло
ками ввода/вывода и средств полевого уровня с контроллерами и между
собою;
- протокол Profibus-FMS на промышленном уровне для решения
сложных коммуникационных задач связей контроллеров между собою
и с серверами;
- протокол Profibus-PA для повышенных требований к безопасности
и подключения технических средств через барьеры искробезопасности.
Все три вида протокола используют общий канальный уровень
(второй уровень по модели OSI), а протоколы Profibus-DP и Profibus-FMS имеют также одинаковый первый (физический) уровень.
Отсутствует возможность передачи питания по кабелю у сетей Pro
fibus-DP и Profibus-FMS.
Характеристики сети Profibus -DP
Физически передача данных в сети осуществляется через порт RS485 и экранированную витую пару или оптоволокно.
Сеть обеспечивает любые виды соединений: шина, звезда, кольцо.
Метод доступа к сети: ведущий/ведомый (Master/Slave). В
сети возможно наличие нескольких ведущих узлов; при этом либо
47
каждый ведущий узел обслуживает свои ведомые узлы, либо один
из них организует работу ведомых узлов, а другие -диагностируют,
конфигурируют и производят разные фоновые операции. Записывать
данные в ведомый узел может только один ведущий узел. Сами ведущие
узлы общаются между собою с помощью маркера.
Общее число узлов на сети до 126, из которых 32 узла могут быть
ведущими.
Скорость передачи данных на витой паре варьируется от 9,6 кбит/с
до 1,5 Мбита/с. При длине витой пары 200 м скорость максимальна-1,5
Мбита/с.
Длина сети на витой паре до 1,2 км или до 4,8 км с повторителями.
Длина сети на оптоволокне до 23 км с промежуточными повторителями.
Основа работы протокола - циклический опрос ведомых устройств.
Кроме того, существуют ациклические функции диагностики,
конфигурирования диапазонов измерения и т. п.
Передаваемые устройствами диагностические сообщения имеют
три уровня иерархии:
- диагностика всего устройства (например, упало напряжение
питания),
- диагностика модуля устройства (например, отказал 8-ми каналь
ный цифровой модуль выходных сигналов),
- диагностика канала (например, в канале А модуля Б не проходит
сигнал).
В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных
3 ошибочных бита будут обнаружены, а 1 ошибочный бит может быть
восстановлен.
В каждом сеансе связи ведомый узел может передать до 246 байт
информации; обычно передается 32 байта.
При скорости 1,5 Мбит/с передача 512 бит данных, распределенных
между 32 устройствами, занимает 6 мс; та же передача при скорости 0,5
Мбит/с занимает 18 мс.
Характеристики сети Profibus -FMS
Как правило, на уровне работы этого протокола (промышленном
уровне) обмен информацией осуществляется по запросу прикладной
программы контроля и управления и не является циклическим,
поэтому время реакции здесь может быть менее существенно, чем
функциональные возможности сети. Протокол оперирует с передачей
массивов информации и воспринимает понятия переменная, массив,
запись, область памяти, событие; а также проводит логическую
адресацию.
48
Основные характеристики соответствуют протоколу Profibus-DP,
скорость передачи данных по витой паре до 500 Кбит/с.
Характеристики сети Profibus-PA
Спецификой протокола является передача данных от выносных
блоков ввода/вывода и средств полевого уровня к контроллерам во
взрывоопасных средах. По протоколу канального уровня Profibus-PA
полностью идентичен сети Profibus-DP, но он имеет иную физическую
реализацию: безопасное низковольтное исполнение. Коммутация
устройств реализуется на одной витой паре, которая одновременно
используется для информационного обмена и для питания устройств.
Основные области применения этого протокола - предприятия химии,
нефтехимии, нефтепереработки.
Скорость передачи данных по витой паре до 31 Кбит/с.
Характеристики сети ProfiNet
Сеть ProfiNet является сочетанием сети Profibus с сетью Ethernet.
Она фиксирует время доставки сообщений получателю (метод
доступа аналогичен сети Profibus), а все протоколы разных уровней
соответствуют сети Ethernet
Сеть ProfiNet имеет две разновидности: ProfiNetIO и ProfiNetCBA.
Сеть ProfiNetIO (Input/Output) реализует тактовую синхронизацию
опроса в реальном времени блоков ввода/вывода контроллером, который
является ведущим узлом сети. Сеть интегрирована с сетью Profibus-DP.
Сеть ProfiNetCBA (Component Based Automation) реализует связь
различных средств автоматики разных производителей между собою.
Каждому узлу в сети ставится в соответствие программный модуль
описания интерфейса этого узла.
2.2. Сети Foundation Fieldbus nFoundation Fieldbus HSE
Сеть Foundation Fieldbus [7] разработана двумя ведущими
американскими ассоциациями ISP и WorldFIP, которые объединились
с другими фирмами в 1994 году в ассоциацию Fieldbus Founda
tion. Эта ассоциация опубликовала и поддерживает стандарт сети
и производит сертификацию устройств на соответствие стандарту.
Сейчас в ассоциацию Fieldbus Foundation входят более 100 крупнейших
компаний, которые представляют порядка 90% производителей средств
и услуг в области автоматизации.
Особенностью стандарта является проработка в нем условий работы
и обмена информацией между приборами в сети при учете, что каждый
прибор, кроме обычных функций ввода/вывода технологических
сигналов, может производить типовые функции контроля и управления.
Основной вариант сети - Foundation Fieldbus Hl (FF Hl); он
49
реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Кроме
него существует вариант Foundation Fieldbus Н2 (FF Н2), в котором
специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.
Характеристики сети FF Н1
Ниже описываются основные свойства и характеристики сети,
обозначаемой как FF Н1.
Топология сети - шина или дерево.
Физическая среда - витая пара.
Длина линии передачи - 1,9 км, отдельные ответвления сети до 120 м.
Скорость передачи данных - 31,25 Кбита/с.
Число подключаемых к сети устройств до 32.
Сеть используется также для передачи питания от контроллера к
приборам, подключенным к сети.
Протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый
(физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой
(прикладной уровень). Кроме того, стандарт Foundation Fieldbus особое
внимание обращает на пользовательский уровень (он как бы над
прикладным уровнем), на котором фиксируется ряд важных функций
и правил.
Метод доступа к сети - маркер. Активный планировщик связей
(LAS - Link Active Scheduler), работающий как арбитр на сети,
поддерживает плотный временной график периодических сообщений.
Он же обеспечивает быстрый доступ к сети для высокоприоритетных
асинхронных событий (сеть работает с приоритетными сообщениями).
Управление сетью может быть распределено между несколькими
активными планировщиками связей; они могут резервировать друг
друга.
Периодический цикл передачи информации с учетом отработки в
отдельных узлах алгоритмов контроля и управления составляет 50 мс.
Введенный в стандарт FF Н1 пользовательский уровень
(отсутствующий в других стандартах и в модели OSI) имеет несколько
важнейших черт.
Он определяет связи, с помощью которых пользователь может
взаимодействовать с приборами через серию так называемых блоков,
причем удобнее и скорее чем с запросами по отдельным точкам.
Пользовательский уровень может использовать три типа блоков:
- блоки приборов - описывают такие характеристики приборов как
имя, производитель, номер серии и т. п.;
- блоки функций - определяют работу приборов по вводу сигналов,
контролю и управлению, выводу сигналов. Всего стандарт определя
ет 10 базовых функциональных блоков: аналоговый вход, аналоговый
50
выход, смещение, переключатель управления, дискретный вход, дис
кретный выход, ручной загрузчик, регулятор ПД, регулятор ПИД, ре
гулятор отношения Любые другие функциональные блоки могут быть
определены конкретными производителями приборов и согласованы с
ассоциацией Fieldbus Foundation;
- блоки преобразователей - расщепляют отдельные блоки функций
на чтение/запись локальных входных/выходных данных.
Важно подчеркнуть, что функциональные блоки могут при их
соответствующем соединении друг с другом реализовывать простейшие
цепи управления как в отдельном приборе, так и распределено через
сеть в нескольких приборах.
Вторая важнейшая черта пользовательского уровня стандарта FF
Н1 - описатели приборов (DD-Device Descriptions). DD определяют
стандартное описание функций, которые можно реализовывать в
приборе. Используя DD оператор может взаимодействовать с прибором:
конфигурировать калибровку, менять параметры, диагностировать
работу ит. п.. Механизм DD дает оператору возможность полностью
определять, конкретизировать и модифицировать свойства прибора.
Для работы с функциональными блоками в приборе используется
специальный язык описания устройств (DDL-Device Description
Language), который специфицирован в ассоциации Fieldbus Foun
dation. Он описывает функциональные блоки, используется для
доступа к информации в приборе и для определения дополнительных
характеристик, которые можно добавить к функциональному блоку.
Используя описатели приборов DD, язык DDL позволяет оператору
составлять алгоритм работы прибора и полностью контролировать его
работу.
В сети FF Н1 используется понятие “статус”, которое каждый
цикл передается каждым прибором по сети вместе с его данными.
Статус определяет оперативное состояние прибора: нормальный
последовательный статус, когда данные от него могутбыть использованы
для вычислений и управления; нормальный непоследовательный
статус, когда данные от него корректны, но с прибором связана какаято тревога: неопределенный статус, когда данные не полностью
корректны, но все же могут быть использованы; плохой статус, когда
данные не могут быть использованы. Каждое значение статуса имеет
16 различных подстатусов, которые конкретизируют и диагностируют
имеющийся статус, т. е. определяют уровень самодиагностики
приборов, подключенных к FF Hl. С помощью DD можно добавить
дополнительные диагностические функции.
51
Характеристики сети FF Н2
Вариант сети FF Н2 отличается от рассмотренного варианта FF Н1
следующими характеристиками:
- физическая среда - витая пара или кабель;
- длина линии передачи - 0,75 км;
- скорость передачи данных - 1,0 или 2,5 Мбита/с;
- питание приборов через шину не производится;
- сеть не предназначена для работы во взрывоопасной среде.
Остальные характеристики аналогичны сети FF Н1.
Характеристики сети Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet)
Сеть сочетает характеристики сети FF Hl с технологией Ethernet
(она использует транспортный протокол стека TCP/IP). Она объединяет
сегменты шин Н1 в единый формат сети Ethernet и этим реализует
высокую скорость передачи данных.
Топология сети - шина или дерево.
Физическая среда - витая пара
Длина линии передачи - 1,9 км, отдельные ответвления сети до 120 м.
Скорость передачи данных до 100 Мбит/с.
Число подключаемых к сети устройств - до 240 устройств на
сегменте сети и до 65 тыс. устройств на всей сети.
Сеть используется также для передачи питания от контроллера к
приборам, подключенным к сети.
2.3. Сети Modbus и Modbus/TCP
Одна из наиболее старых промышленных сетей, разработанная
фирмой Modicon (сейчас это фирма Schneider Electric) еще в 1979
году. В настоящее время ее обновление и развитие обеспечивает
некоммерческая организация Modbus IDA [11]. Последнее ее обновление
было проведено в 2006 году. Сеть является стандартом де-факто и имеет
широкое распространение среди распределенных систем управления
различных производителей.
Характеристики ceTHModbus
Физические порты - RS-232C, RS-422, RS-485, токовая петля 20 ма
(обычно используют RS-485).
Среда передачи - не специфицирована (могут быть любые
физические среды).
Число узлов в сети - 1 ведущий и 247 ведомых.
Скорость передачи данных в сети по умолчанию- 19,2 Кбита/с.
Допускаются также скорости: 2.4 Кбита/с, 4.8 Кбита/с, 9.6 Кбита/с, 38.4
Кбита/с, 65.0 Кбит/с, 115.0 Кбит/с.
Длина сети до 1,2 км при 9,6 Кбита/с и с интерфейсами RS-422,
52
RS-485.
Метод доступа - ведущий/ведо.мый (Master/Slave). Ведущее
устройство (обычно, контроллер) может работать в широковещательном
режиме (одновременный запрос всем ведомым узлам) и в режиме
запроса определенному ведомому устройству.
Существует два режима передачи данных:
- режим ModbusRTU (Remote Terminal Unit), который применяется
для связи с удаленными устройствами. В этом режиме тип сообщения и
тип действия ведомого устройства задается одним байтом,
-режим ModbusASClI, в котором тип сообщения и тип действия
ведомого устройства задается двумя шестнадцатеричными символами.
Структура любого сообщения формируется из последовательности
следующих данных: адрес получателя, код типа сообщения, само
сообщение, сигнал проверки правильности передачи сообщения
(контрольная сумма для обнаружения ошибки в сообщении).
Пакет данных состоит из 252 байтов и контрольной суммы. Имеется
контроль ошибок в сообщении.
Стандарт использует три уровня типовой сетевой модели OSI:
физический (любой интерфейс типа RS, канальный (протокол «ведущий/
ведомый»), прикладной (Modbus Application Protocol).
Стандарт сети специфицирует метод передачи только двух типов
данных.
Стандарт не предусматривает никакой оперативной сигнализации
от конечного устройства к ведущему узлу (мастеру) в случае
необходимости (прерывания). Устройство должно ждать своей очереди
в опросе периферийных устройств мастером.
Стандарт не предусматриваетобменданнымимежду периферийными
устройствами друг с другом без участия ведущего узла мастера.
Вариантом сети Modbus является сеть полевого уровня ModbusPlus, в которой происходит кольцевая передача маркера. Она обладает
высокой скоростью передачи данных (до 1 Мбита/с).
Все варианты сети Modbus могут непосредственно обмениваться
сообщениями, поскольку протоколы верхних уровней стандарта OSI у
них общие.
Характеристики ceTHModbus/TCP
Этот вариант сети на транспортном уровне использует стек
протоколов TCP/IP; остальные характеристики аналогичны сети Modbus.
2.4. Сеть HART-протокол
Широко распространенный и поддерживаемый разными фирмами,
выпускающими как контроллеры, так и полевые средства, протокол
53
полевой сети -HART [12] (Highway Addressable Remote Transducer,
г e. удаленный адресуемый приемник/передатчик) был разработан
фирмой Rosemount в конце 80-х годов и стандартизирован в
Америке. Технология использования протокола, координирование и
поддержка его применения обеспечиваются независимым фондом
HART коммуникаций. Множество производителей контроллеров и
современных приборов в разных странах поддерживают этот протокол.
Протокол основан на аналоговой 4-20 ма - технологии. Он нацелен
на связь контроллера с датчиками и имеет два варианта их связи.
При первом варианте реализуется связь каждого прибора с
контроллером по отдельной паре проводов, по которой одновременно
проходят аналоговый 4-20 ма сигнал, цифровые сигналы и питание
прибора, вырабатываемое блоком питания контроллера. Аналоговая
величина и питание передается по токовой петле; цифровая информация
использует метод частотной модуляции. Цифровые двунаправленные
данные содержат дополнительную информацию о работе прибора:
диапазон и единицы измерения, дату калибровки, самодиагностику и
т. д.
При втором варианте связи реализуется соединение ряда приборов с
контроллером по одной паре проводов, в этом случае по паре проводов
могут проходить только цифровые сигналы. Следовательно, в каждом
приборе имеющиеся аналоговые выходы должны быть преобразованы
в цифровой код. При этом ток в петле фиксируется на минимальном
значении (обычно 4 ма), реализует только питание прибора и не
содержит аналоговых выходных данных приборов.
Характеристики сетиНАЙТ:
- физическая среда передачи: витая пара и последовательный порт
RS-232C;
- совместимость с токовой петлей 4-20 ма;
- метод доступа - ведуший/ведомый. В сети может быть до двух
ведущих узлов; ими бывают контроллеры и ручные коммуникаторы.
Один ведущий узел (обычно контроллер) реализует циклы передачи и
запросы к ведомым узлам; другой (обычно коммуникатор) — подклю
чается к любой точке сети и связывается с приборами без нарушения
обмена данными с контроллером или используется для связи сети с по
сторонней системой;
- топология сети: звезда, при соединении через сеть к контроллеру
датчиков как с аналоговыми, так и цифровыми сигналами; шина - толь
ко при цифровых выходных сигналах приборов, которые должны про
ходить через сеть;
- режимы работы: асинхронный, когда ведущий узел посылает
54
запрос, а ведомый - ответ (цикл укладывается в 500 мс); синхронный,
когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу
(время обновления данных в контроллере - 250-300 мс);
- при шинной архитектуре HART протокол работает в режиме мо
ноканала (т. е. более двух устройств соединяются через один канал пе
редачи) и к сети может быть подключено до 15 ведомых узлов (обычно
подключают до 8 приборов):
- длина линии связи до Зкм;
- скорость передачи данных - 1200 бит/с;
- протокол HART реализует по модели OS1 следующие уровни: пер
вый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной);
- команды от ведущих узлов могут быть трех видов: универсальные
на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы и специфиче
ские на конкретные ведомые узлы;
- каждое сообщение от прибора к контроллеру содержит инфор
мацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Последняя ин
формация определяет оперативное состояние прибора: нормальный
последовательный статус, когда данные от него могут быть исполь
зованы для вычислений и управления; нормальный непоследователь
ный статус, когда данные от него корректны, но с прибором связана
какая-то тревога: неопределенный статус, когда данные не полностью
корректны, но все же могут быть использованы; плохой статус, когда
данные не могут быть использованы;
- за каждую посылку информации любое устройство может передать
другому устройству 4 технологических переменных, а само устройство
может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.
2.5. Сеть Industrial Ethernet
Основные отличия промышленной сети Industrial Ethernet [10] от
информационной, офисной сети Ethernet, особенности работы которой
приведены в предыдущей главе, рассмотрены ниже:
1. В сети Industrial Ethernet реализован переход от концентраторов
к коммутаторам, который резко уменьшил возможность блокировки до
ставки сообщений по сети из-за коллизий, связанных с методом случай
ного доступа в сети Ethernet. Коммутатор направляет сообщение только
на то подключение, где реально находится абонент, а не широковеща
тельно на всю сеть Из-за этого объем трафика по сети резко сокраща
ется и коллизии становятся значительно менее вероятны.
2. Возможен переход к варианту полнодуплексного режима работы
сети - TDD, при котором не используется метод случайного доступа
CSMA/CD и отсутствует возможность коллизий. В нем каждый узел
55
одновременно передает и принимает кадры сообщения. Этот режим
требует непосредственное соединение коммутаторов узлов сети, а сами
коммутаторы должны быть специализированы на работу в рассматри
ваемом режиме. Скорость обмена данными в этом режиме составляет
200 Мбит/с;
3. Все сетевое техническое оборудование сети Industrial Ethernet вы
пускается рядом производителей в полном соответствии с требования
ми промышленных условий эксплуатации:
- диапазон нормальной работы оборудования по температуре от -40
до +85 С,
- диапазон нормальной работы оборудования по влажности от 5 до
95%,
- оборудование имеет защиту от промышленных электрических и
магнитных помех,
- предусмотрена виброустойчивость оборудования и возможность
установки его во взрывоопасных зонах,
- оборудование выдерживает существующие на производстве скач
ки напряжения питания.
Характеристики сети IndustrialEthernet:
- физической средой сети могут являться витая пара, коаксиальный
кабель и оптоволокно;
- на физическом уровне связь реализуется интерфейсом последова
тельной передачи данныхК8-485;
- длина сегментов сети меняется от 100 м (витая пара) до 2000 м
(оптоволокно);
- максимальное число узлов в сегменте сети в зависимости от при
меняемой физической среды изменяется от 30-ти до 1024;
- узлы Ethernet передают данные со скоростью ЮМбит/с; а его бо
лее поздние варианты: Fast Ethernet имеет скорость 100 Мбит/с, Gigabit
Ethernet имеет скорость 1 Гбит/с;
- размер пакета передаваемых данных от 64 до 1518 байт;
- в качестве протоколов разных уровней связи используется стек
протоколов TCP/IP, который функционирует независимо от имеющего
ся варианта физической среды сети;
- имеется встроенная защита от импульсных помех до 15 Кв.
Следует отметить, что как обычная сеть Ethernet, так и ее вариант IndustrialEthernet формируется для проводных сетей по группе
стандартов IEEE 802.3 [9].
56
Глава 3. Беспроводные промышленные сети
До 90-х годов прошлого века беспроводные связи для целей
автоматизации на предприятиях в основном использовались в системах
телемеханики. При необходимости передачи информации на большие
расстояния (например, для связи технических средств автоматизации
в электрических сетях или на трубопроводном транспорте, или в
распределенных по территориям системах водо- и газоснабжения)
широко применялись и используются сейчас радиорелейные сети.
Последнее десятилетие беспроводные локальные сети, сначала
робко, а сейчас все более широко захватывают новые прикладные
области, проникают в системы автоматизации различных уровней
на промышленных предприятиях. Этому способствуют многие
рассматриваемые ниже обстоятельства как технического, так и
экономического характера.
3.1. Основные причины распространения беспроводных сетей
Усилению внимания разработчиков систем автоматизации к
беспроводным локальным сетям на промышленных предприятиях в
последние годы способствует ряд причин:
- оперативность построения беспроводной сети из-за отсутствия
трудоемких работ по прокладке кабелей;
- простота и низкая стоимость монтажа, наладки, обслуживания по
сравнению с проводными сетями аналогичных характеристик;
- легкая, по сравнению с проводной сетью, модификация и расши
рение сети при изменении числа и расположения подключенных к сети
средств автоматизации;
- экономические соображения, заключающиеся в том, что (по дан
ным зарубежных источников) при расстояниях свыше 500 м беспрово
дная технология оказывается дешевле прокладки оптоволокна;
- унификация беспроводных и проводных сетей на базе общих про
токолов стандарта Ethernet, определяющая легкость их соединения друг
с другом;
- выпуск производителями беспроводных сетей таких технических
средств их построения, которые рассчитаны на различные промышлен
ные условия эксплуатации (температуру, влажность, пыль и брызги, ви
брацию, электромагнитные помехи, взрывоопасную среду и т. п );
- достаточно высокая для многих беспроводных систем связи ско
рость передачи информации между узлами сети от 1 до 54 Мбит/с (а в
наиболее перспективных сетях - до 600 Мбит/с), которая в среднем не
меньше скорости передачи информации по кабелю;
- удовлетворительная
для
промышленных
предприятий
57
пространственная зона покрытия сетью, составляющая от нескольких
сот метров до десятков километров;
- возможность внедрения сети без вмешательства в функционирова
ние производства и последующего расширения сети без остановки ее
действующего варианта;
- отказоустойчивость сети при нарушении связи между отдельными
узлами сети;
- достаточное для большинства промышленных целей обеспечение
безопасности и защиты передаваемой беспроводными сетями инфор
мации путем применения в них специальных мер;
- отсутствие взаимных влияний и помех с другими системами ради
освязи (в частности, с GSM-сотовыми и радиорелейными системами);
- значительное и все более растущее, из-за широкого распростра
нения таких сетей в сферах бизнеса, производства, логистики, число
производителей технических и программных средств беспроводных,
открытых локальных сетей, конкурирующих между собою в данном
секторе рынка, что сказывается на широте выбора и уменьшении стои
мости этих средств.
Следует отметить и те особенности внедрения беспроводных
сетей, недостаточный учет которых может привести к значительному
снижению надежности их работы и будет восприниматься как присущие
им недостатки. В отличие от проводных сетей, каждая из которых
имеет свою кабельную среду распространения сигнала, беспроводные
сети разных протоколов используют одну и ту же радио среду и одну
и ту же частоту передачи сигналов, что налагает на них добавочные
ограничения по недопущению взаимных помех при наличии на одном
производстве ряда разных беспроводных сетей Все это должно быть
учтено на этапе внедрения. Кроме того, необходимо:
-правильно подобрать число и расположение точек доступа
беспроводной сети;
-учесть действующие и возможные при эксплуатации сети
препятствия и помехи на пути распространения радиоволн;
-выбрать рациональные варианты сети и антенн ее узлов.
От эффективности решения этих задач (достаточно необычных для
персонала служб автоматизации предприятий) в значительной степени
зависит нормальная работа беспроводной сети.
3.2. Области применения беспроводных сетей
Беспроводные локальные сети завоевывают все большую
популярность на промышленных предприятиях в различных классах
систем связи (информационных, промышленных, полевых) и на
58
различных иерархических уровнях управления производством.
При этом они не только заменяют проводные сети, но и расширяют
возможности и области применения распределенных систем
автоматизации, занимая свои, достаточно четко очерченные ниши, что
в целом определяет рациональную сетевую структуру распределенных
систем автоматизации производства как совокупность взаимосвязанных
открытых, локальных проводных и беспроводных сегментов сетей
различных иерархических уровней управления.
Ниже перечислены основные, перспективные области применения
беспроводных локальных сетей в системах автоматизации производства:
- использование беспроводной сети в распределенных системах
автоматизации на производственных участках, где прокладка кабеля
невозможна, или затруднена, или связана с большим объемом работ и
затратами;
- связь проводной сети с несколькими удаленными пользователями
через беспроводную сеть, если прокладка отдельных кабелей к этим
удаленным пользователям не выгодна;
- взаимное общение нескольких, пространственно разделенных от
дельных проводных сетей через беспроводную связь;
- беспроводное соединение отдельных сегментов проводной сети
через различные препятствия местности типа рек, шоссейных дорог,
железнодорожных переездов и т п.;
- связи полевых приборов (датчиков, исполнительных механизмов,
регулирующих органов), распределенных по всему пространству про
изводства между собою и с контроллерами через беспроводную сеть
(сеть сбора распределенной информации);
-реализация взаимосвязи контроллеров или серверов с все более
широко распространяемыми беспроводными датчиками (в том числе,
датчиками, встроенными в оборудование);
- подключение к корпоративной сети предприятия ряда локальных,
распределенных, производственных, проводных сетей, территориально
удаленных от офиса, в котором располагаются руководство и хозяй
ственные службы, через беспроводную сеть (например, на предприяти
ях нефте- и газодобывающих комплексов);
- использование беспроводной сети для взаимосвязи распределен
ных на значительной территории средств автоматизации (например,
распределенные системы водо- и газоснабжения, нефтяные и газовые
промыслы);
- связь мобильного оборудования (например, транспортных
средств предприятий, экскаваторов настроительных площадках и на
горнодобывающих предприятиях, насосных станций на карьерах) с
59
диспетчерским пунктом через беспроводную сеть;
- связь различных средств автоматизации с мобильными пультами,
панелями, карманными компьютерами руководящего и обслуживающе
го системы автоматизации персонала, перемещающегося по террито
рии предприятия.
Достоинствами данного класса сетей являются широкий
целесообразный диапазон их применения в различных задачах
контроля и управления отдельными производственными процессами,
производством и предприятием в целом; их более быстрое, простое и
дешевое внедрение по сравнению с проводными сетями; возможность
использования в местах, где прокладка кабелей затруднена или
невозможна.
Недостатки данного класса беспроводных сетей по сравнению
их с проводными сетями, реализующими аналогичные функции,
могут определяться при конкретном техническом и экономическом
сопоставлении разработки и эксплуатации определенной системы
автоматизации по этим двум конкурирующим вариантам. В общем
случае сравнения беспроводных сетей с проводными сетями следует
отметить их несколько более низкую надежность работы, меньшую
скорость передачи информации по сравнению с высокоскоростными
сетями Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, не настолько высокую степень
защиты передаваемой информации, которая может быть достигнута в
проводных сетях.
3.3. Общие свойства беспроводных сетей
Независимо от типа конкретной беспроводной сети есть важные
общие свойства, присущие подавляющему большинству локальных
беспроводных сетей, используемых в системах автоматизации на
предприятиях.
1. Сети работают в не лицензируемом спектре частот при ограни
ченной законом мощности излучателя каждого узла сети. Практически
подавляющее большинство беспроводных сетей используют не лицен
зируемый спектр частот от 2.400 до 2.483,5 Мгц и имеют максимальную
мощность излучателя менее 10 мВт, но для сбора данных в системах
автоматизации возможна мощность излучателя до 100 мВт в открытой
среде и до 50 мВт в закрытой среде. При этом дальность передачи ра
диосигнала от каждого узла сети доходит до нескольких сотен метров.
2. Удовлетворительная для промышленных предприятий про
странственная зона покрытия сетью, составляющая от нескольких сот
метров до нескольких десятков километров, реализуется сотовой струк
турой сети: сеть состоит из сотовых ячеек (узлов) ретрансляторов -
60
радио-маршрутизаторов сообщений. При этом все узлы сети подразде
ляются на следующие группы:
-узлы ввода/вывода сообщений. К ним относятся, в частности,
беспроводные технические средства (например, датчики) и проводные
приборы с адаптерами, преобразовывающими выходной сигнал прибо
ра в беспроводное сообщение. Беспроводные датчики состоят из сен
сора, микропроцессорного вычислителя и коммуникатора с антенной;
- узлы связи - ретрансляторы сообщений. Они получают сообще
ния от узлов сети и передают сообщения по маршруту на другие узлы,
при этом фиксируя время и качество приема и передачи сообщения;
- узлы - шлюзы взаимодействия сети с другими сетями (в том числе,
проводными сетями). Шлюзы, обычно, имеют программное обеспече
ние, управляющее работой сети: реализуют последовательность опроса
узлов ввода/вывода сообщений, сохраняют в памяти полученные сооб
щения с временем их получения, передают сообщения в пункт назна
чения: контроллер, сервер, проводную сеть и т. п.. Распространенным
интерфейсом связи шлюза с пунктом назначения является порт RS-485.
3. Открытость конкретной сети к другим типовым проводным и
беспроводным сетям реализуется наличием в узлах-шлюзах распро
страненных протоколов (Modbus, HART, Ethernet, ОРС, Web-интерфейс
ит. д ).
4. Надежность работы сети.
4.1. Надежность связи между отдельными узлами сети достигается:
- использованием встроенных и выносных антенн узлов на расстоя
ния от них до нескольких десятков метров;
- выбором вариантов антенн в зависимости от свойств среды: нена
правленных или направленных антенн, обычных или с молниезащитой,
или взрывозащищенных;
- наличием нескольких антенн на узле. Так, по технологии MIMO
каждый узел оснащается несколькими антеннами на прием сообщений
и несколькими антеннами на передачу сообщений. При этом дублиро
вание сигналов приемных и передающих антенн улучшает качество
передачи и приема сообщений и увеличивает стабильность передачи
информации.
4.2. Надежность взаимодействия сети с другими сетями достигается
резервированием шлюзов сети и выявлением посторонних устройств,
пытающихся включиться в сеть.
4.3. Надежность работы сети при отказе ее отдельных узлов-ретрансляторов сообщений достигается использованием программы ав
томатического управления функционированием сети:
- проводится оперативный мониторинг среды распространения
61
радиоволн и выявление помех, возникающих препятствий, отказавших
узлов-ретрансляторов и любых других изменений среды;
- автоматически конфигурируется в сотовой сети связь узлов сети
друг с другом: программа отдельного узла-ретраслятора распозна
ет соседние узлы сети и выбирает рациональный маршрут передачи
информации по сети (т. е. реализуется режим роуминга, заключаю
щийся в прослушивании данным узлом среды и его автоматического
подсоединения к узлу, обеспечивающему лучшее качество связи). При
отключении одного из узлов сети структура сети автоматически пере
страивается, обеспечивая ее работоспособность.
5. Безопасность работы сети достигается рядом отдельных
мероприятий:
- резервированием линий связи в сотовой сети и отдельных узлов
различных групп;
- передачей данных радиосигналом со скачкообразной сменой не
сущей частоты - FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), при кото
ром происходит псевдослучайная перестройка рабочей частоты (1600
скачков/с);
- передача данных радиосигналом с расширенным спектром - DSSS
(Direct Sequensing Spread Spectrum), при котором сообщение распро
страняется по всему допустимому спектру сигнала, а набор несущих
частот соответствует ключу, который меняется во времени по заданно
му закону.
6. Масштабируемость сети изменяется в самых широких пределах:
начать построение сети можно с нескольких беспроводных узлов раз
ных типов, а в дальнейшем расширять ее, без нарушения работы, до
тысяч узлов.
7. Преобладающие методы доступа к сети:
- метод доступа - TDMA: жесткое разделение среды передачи во
времени, при нем доступ перемещается от одного входного узла к дру
гому по отдельным сеансам (квантам времени); никаких промежуточ
ных во времени сеансов нет. Есть вариант некоторого снисхождения к
передающему данные входному узлу: если при очередном сеансе пе
редача данных не завершилась, то по случайному закону выбирается и
дается внеочередной сеанс связи;
- метод доступа - CSMA/CD: каждый узел прослушивает сеть и если
она свободна, то он занимает ее, а если несколько узлов одновременно
хотят занять сеть (конфликтная ситуация), то они снимают свои заявки
и включают случайные генераторы, которые задают случайный интер
вал ожидания до следующего момента запроса сети;
- метод доступа-TDD (полнодуплексная связь), при которой любой
62
узел может одновременно принимать и передавать сообщения в режиме
разделения времени без возникновения конфликтов в сети;
- метод доступа- (FDMA), при котором каждый беспроводной дат
чик передает информацию на отведенной ему частоте;
- метод доступа- (CDMA) кодового разделения. Каждый беспрово
дной датчик имеет свой код, причем коды не коррелированы, что по
зволяет подавлять любые сигналы - возмущения, которые при этом
воспринимаются приемником как белый шум.
8. Энергопитание узлов сети в подавляющем большинстве случаев
реализуется вставляемыми в них элементами питания. Первостепенное
значение имеет энергосберегающий режим работы сети, позволяющий
сохранить работоспособность элементов питания на возможно более
длительный срок. Он достигается различными способами:
- применение минимально требуемых, настраиваемых интервалов
опроса и передачи сообщений входными узлами сети (например: 1, 5,
10, 30 с): чем длиннее эти интервалы, тем ниже потребление энергии
узлами сети;
- отказ от непрерывной работы узлов сети: включение их через пе
риодические интервалы времени для выдачи своей информации в сеть
и запроса адресованной им информации;
- использование логического условия выхода входного узла сети
(датчика) на связь: при отличии текущего значении измеряемой вели
чины от ее значения в предыдущий сеанс опроса менее, чем на задан
ный процент (например, 1 % от номинала), узел пропускает очередной
сеанс связи;
- возможное уменьшение мощности излучателей узлов и допусти
мое сокращение объемов передаваемых ими сообщений.
Практически срок службы элементов питания узлов сети лежит в
диапазоне от нескольких лет при передаче сообщений с периодом 1 с
до десятка лет при периоде передачи сообщений 30 с. При истощении
элементов питания узлы формируют и передают сообщения о необхо
димости их замены, а при их отказе переходят в спящий режим.
9. Производители технических средств конкретных беспроводных
сетей учитывают в механических конструкциях аппаратуры сети не
обходимость их безотказной работы в промышленных условиях: при
вибрациях и ударах, при различных значений влаги, пыли, грязи, при
нахождении аппаратуры во взрывоопасной и химически агрессивной
среде.
10. Среди беспроводных промышленных сетей систем авто
матизации выделяется подкласс беспроводных сенсорных се
тей (БСС), обслуживающих средства автоматизации полевого
63
уровня (датчики, исполнительные механизмы, регулирующие органы).
Основное назначение этих сетей - сбор и передача данных о текущих
значениях измеряемых на производстве величин. Они характеризуются
более низкой требуемой скоростью передачи сообщений и сверхнизким
энергопотреблением.
Ниже рассмотрены основные виды беспроводного соединения,
которые обеспечены программными и техническими компонентами
ряда производителей и все более интенсивно внедряются в системы
промышленной автоматизации.
3.4. Сети по семейству стандартов IEEE 802.11
Основным вариантом промышленных беспроводных локальных
сетей (сетей Wireless Local Area Network /WLAN/) являются сети,
построенные по семейству стандартов IEEE 802.11(9]. С принятием
первого из этого семейства стандартов в 1999 году началось
распространение беспроводных промышленных сетей на предприятиях
разных отраслей промышленности.
Сети по стандартам IEEE 802.11 имеют следующие общие
технические характеристики:
- стандарты касаются только двух нижних уровней OSI-модели: фи
зического и канального. Все остальные уровни OSI-модели могут быть
любыми, в том числе совпадающими с проводной сетью Ethernet, что
позволит легко состыковываться беспроводным и проводным вариан
там Ethernet,
- физический уровень может быть реализован радиочастотными
или оптическими сетями. Радиочастотная сеть в России может работать
в не лицензируемом спектре частот от 2.400 до 2.483,5 Мгц. Оптическая
сеть использует не лицензируемый инфракрасный диапазон спектра с
лазерными диодами в качестве передающих и приемных устройств;
- на физическом уровне фиксируется скорость передачи данных
(разная у разных стандартов этого семейства) и методы модуляции пе
редаваемых данных: может использоваться скачкообразная смена несу
щей частоты - FHSS и расширенный спектр передачи данных - DSSS;
- стандартизация на канальном уровне ограничена нижним по
дуровнем, который касается способа аутентификации (подлинности)
передаваемых сообщений, механизмов защиты данных, организации
передачи сообщений по сети. Последняя определяет доступ передачи
сообщений к среде и реализуется протоколом MAC (Medium Access
Control), формирующим передачу сообщений от входных узлов сети
в определенные интервалы времени и определяющим автоматическое
подтверждение получения сообщений;
64
- радиус передачи сообщений между узлами сети порядка 100 м;
- ширина полосы канала в большинстве стандартов 20 МГц;
- каждое передаваемое сообщение имеет 48-битовый адрес, что со
ответствует адресации в проводных сетях Ethernet;
- стандарты фиксируют сотовую топологию сети, в которой каждый
сот управляется базовой станцией, которая вместе с находящимися в
пределах ее радиуса действия входными узлами сети образует базовую
зону обслуживания. Соты прослушивают окружающую среду с целью
выбора пути передачи сообщений. Спецификации по реализации роу
минга в стандартах нет.
Приведенные характеристики показывают близость многих из них
характеристикам стандартов IEEE 802.3, т. е. их близость проводной
сети Ethernet, поэтому сети, построенные по стандартам IEEE 802.11
часто называют беспроводными сетями Ethernet.
Основные технические отличия отдельных стандартов из семейства
IEEE 802.11 [9]:
-стандарт IEEE 802.11а имеет скорость передачи данных до 54
Мбит/с и работает на частоте 5000 МГц;
-стандарт IEEE 802.11b имеет скорость передачи данных до 11
Мбит/с, работает на частоте 2400 МГц, использует только расширен
ный спектр передачи данных - DSSS;
-стандарт IEEE 802.11g имеет скорость передачи данных до 54
Мбит/с, работает на частоте 2400 МГц.
Сравнительно недавно введенный стандарт IEEE 802.11 п имеет сле
дующие отличия:
- более высокая пропускная способность канала за счет расширен
ной полосы частот до 40 МГц: максимальная скорость доходит до 600
Мбит/с;
- более стабильная передача данных за счет технологии MIMO,
предусматривающей использование до четырех антенн на один узел и
учитывающей сигнал, отраженный от предметов;
- больший радиус передачи сигнала при скорости близкой к скоро
сти в сравниваемых стандартах этого семейства.
В работающих по рассмотренным стандартам сетях реализуется
протокол TCP/IP (протокол сети Ethernet). Возможна реализация
энергосберегающего режима работы входных узлов, когда они
включаются только через периодические интервалы времени для выдачи
своей информации в сеть и запроса адресованной им информации. Для
защиты информации от ее отбора или фальсификации посторонним
подключением к сети предусмотрены различные меры безопасности (в
частности, контрольные суммы и подтверждение передачи данных).
65
Разработкой и внедрением беспроводных сетей по стандартам IEEE
802.11 сейчас занимаются многие специализированные фирмы, крупные
производители сетевых комплексов контроллеров и распределенных
программно-технических комплексов контроля и управления.
Следует отметить, что беспроводная сеть Industrial Ethernet
формируется по стандартам IEEE 802.11.
3.5. Сети по стандартам IEEE 802.15
Стандарты IEEE 802.15. [9] (сети Wireless Personal Area Network /
WPAN/) относятся к беспроводным сетям с малой скоростью передачи
данных, с минимально возможным уровнем потребляемой энергии,
с низкой стоимостью сети Сети, построенные по этому семейству
стандартов, отличаются простотой и дешевизной эксплуатации.
Стандарты фиксирует физическую среду передачи данных, различную
топологию сети, метод доступа к сети и способы предотвращений
коллизий, структуру передаваемых пакетов данных, правила
формирования контрольной суммы. Они не касаются других, более
высоких уровней сетевой модели OS1.
Примерные технические характеристики сетей, построенных по
стандартам данного семейства:
- скорость передачи данных до 250 Кбит/с,
- радиус передачи сигнала между узлами сети порядка 10 - 100 м.
Важно, что по данным стандартам реализуется, подкласс
беспроводных сенсорных сетей (БСС), обслуживающих средства
автоматизации полевого уровня. На их базе разработаны конкретные
сети: ZigBee, Wireless HART, Bluetooth, сеть стандарта ISA100.1 la..
3.5.1. Сеть ZigBee.
Сеть ZigBee [13], разработанная в 2004 году, предназначена для
беспроводной передачи небольших по объему пакетов информации
(порядка 10-100 байт). Она обеспечивает передачу данных со скоростью
до 250 Кбит/с на расстояние от 10 до 60 м на частоте 2 400 МГц. Мощность
излучателя порядка 1 мВт. Сеть отличается малой скоростью передачи
данных и низким энергопотреблением, поскольку она реализована
с перерывами включения узлов в работу. Сеть ZigBee соответствует
стандарту IEEE 802.15.4 [9] по описанию физической среды передачи
данных, по способу формирования передачи сообщений от входных
узлов сети в определенные интервалы времени и по автоматическому
подтверждению получения сообщений (МАС) По стандарту IEEE
802.15.4 реализуется диапазон частот, тип модуляции, структура
передаваемых пакетов данных, правила формирования контрольной
66
суммы, способы предотвращения коллизий, поскольку сеть использует
метод доступа CSMA/CA. В сети предусмотрен контроллер с набором
управляющих программ (стек протокола ZigBee)
3.5.2. Сеть Bluetooth
Сеть Bluetooth [14] разработана в 1998 году компаниями в
области телекоммуникаций. Она организует беспроводную связь
различных технических устройств, в том числе переносных
средств, находящихся на небольших расстояниях друг от друга по
технологии Bluetooth стандарта IEEE 802.15.1.Сеть предназначена
для передачи как цифровой информации, так и звуковых (голосовых)
сообщений. Используемая частота - 2.4 ГГц, дальность до 100м без
повторителей (устойчивая работа гарантирована на расстоянии до 10
м), частота опроса от 1 сек. Радиоканал может передавать данные в
полнодуплексном режиме со скоростью 433.9 Кбит/с. Передача данных
производится радиосигналом со скачкообразной сменой несущей
частоты (FHSS). Используется дуплексный метод доступа TDD с
временным разделением. Обеспечивается интеграция с TCP/IP. Каждый
узел сети имеет 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом
стандартовТЕЕЕ 802.3 (соответствие адресации в проводных сетях Eth
ernet). Защита передаваемых данных поддерживается кодированием
передаваемой информации и авторизацией устройств, работающих
в сети. Указанные характеристики достигаются при незначительной
мощности передатчика порядка 10 мВт.
Областью использования технологии Bluetooth в системах
автоматизации производства могут являться сенсорные сети,
связывающие современные датчики, снабженные модемами и
направленными антеннами сети Bluetooth, с выносными блоками
контроллеров, расположенных вблизи этих датчиков. Кроме того,
беспроводная сеть Bluetooth используется при взаимодействии
контроллера с переносной панелью оператора или администратора
системы, который приблизившись на достаточное расстояние к
контроллеру бесконтактно может подключать панель к нему и
реализовать необходимые функции по его мониторингу, диагностике
работы, перепрограммированию и тому подобным действиям.
Достоинствами данного вида связи являются исключительно
малая требуемая мощность ее реализации, устойчивость к различным
помехам, низкая стоимость ее программно-аппаратных средств.
Недостатками являются невысокая скорость передачи информации и
малая зона распространения сигнала.
67
3.5.3. Сеть Wireless HART
Сеть Wireless HART [15] является беспроводной реализацией
HART- протокола. Она базируется на стандарте IEEE 802.15.4. Скорость
передачи данных 250 Кбит/с. Мощность излучателя составляет
примерно 10 мВт. Метод доступа к сети TDMA. Сеть жестко привязана
к стандарту HART (она использует ту же систему команд, что и сеть
HART), Интеграция ее с сетями других протоколов затруднена. Любой
проводной датчик с выходом 4-20 ма и HART-протоколом можно
подключением специального адаптера преобразовать в беспроводной.
Беспроводной адаптер через модем сопряжения подключается к датчику
и выполняет обработку сигнала, аналого-цифровое преобразование,
диагностику неисправностей типа замыкания или обрыва контакта
и своей антенной отправляет результирующие данные в сеть. Один
адаптер может обслужить ряд аналоговых датчиков. В сети на одном
из узлов размещается программный пакет, который управляет сетью менеджер сети. Он формирует сотовую сеть, управляет подключением
к сети новых узлов разных видов, организует график передачи данных
между узлами сети, контролирует работу сети.
3.5.4. Сеть стандарта ISA 100.11а
Стандарт ISA 100.11а [16] разработан Международным обществом
по автоматизации (International Society of Automation) в 2009 году. Он
формирует наиболее универсальную беспроводную сеть подкласса
БСС и базируется на стандарте IEEE 802.15.4 [9]. Стандарт ISA100.11а
реализует передачу в одной беспроводной сети данных, отправленных
приборами, имеющими разные полевые сетевые протоколы.
Беспроводная сеть по данному стандарту работает на частоте 2,4 ГГц и
может использоваться для систем контроля и управления, для которых
допустимы задержки в передаче сообщений до 100 мс, поскольку она
пока не обладает высокой скоростью передачи сообщений. Реально
при существующей в ней скорости передачи сообщений она может
использоваться для реализации любых задач контроля и управления
технологическими агрегатами, кроме систем противоаварийной защиты
и критичных ко времени реакции систем регулирования.
Главной особенностью стандарта является возможность передачи
данных с различными полевыми протоколами к любым проводным
сетям. Передача данных с разными проводными протоколами от полевых
приборов реализуется способом тунелирования. Он представляет
собою оболочку, в которую вкладывается созданное любым прибором с
любым протоколом (в том числе и HART-протоколом) сообщение. Это
сообщение в оболочке доставляется по беспроводной среде стандарта
68
ISAlOO.lla к получателю, который, открывая оболочку, получает
посланное сообщение. Средства формирования и получения сообщений
не нуждаются в переделке под беспроводную среду. Беспроводная
связь реализуется дополнительными платами, устанавливаемыми
у отправителя и получателя сообщения. Таким образом, поскольку
сеть ISA 100.11а работает с полевыми средствами, имеющими разные
выходные протоколы, то она может легко интегрироваться в систему,
имеющую сети HART-протокол, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus
и другие.
Стандарт позволяет создавать сеть по топологиям звезда и соты. При
топологии звезда сеть имеет меньшее время прохождения сообщений
между отправителем и получателем, в этом варианте сбор данных от
приборов может производиться с частотой порядка 1 с. Это достигается
тем, что приборы передают сообщения непосредственно получателю,
а не пересылают его от одной соты до другой. Сети по топологии
звезда являются и более энергоэкономичными. Преимуществом сети
по сотовой топологии является ее большая надежность при наличии
существенных промышленных помех.
Стандарт определяет набор протоколов OSI-модели, который
позволяет передавать сообщения по сети от любых проводных
приборов Стандартизируются протоколы физического уровня и
подкласса канального уровня МАС. Другие уровни протоколов OSIмодели формирует разработчик конкретной сети.
Стандарт поддерживает 128-битную IP адресацию полевых средств.
В сети ретрансляционные узлы сотовой связи имеют питание от сети,
что увеличивает срок службы батареек. Кроме метода доступа TDMA
(жесткого разделения среды передачи во времени), в сети возможен
и другой метод доступа, более снисходительный к передающему
данные входному узлу: если при очередном сеансе передача данных
не завершилась, то по случайному закону выбирается и дается
внеочередной сеанс связи. В разных секторах сети могут быть как тот,
так и другой методы доступа. Высокая надежность передачи данных
достигается передачей радиосигнала со скачкообразной сменой
несущей частоты (FHSS). Разработанная по стандарту сеть может легко
масштабироваться. Сеть взаимосвязана с Интернетом.
3.6. Направления развития промышленных сетей
Значительные изменения происходят с взаимодействием между
собою различных средств систем автоматизации.
Унификация сетей разных уровней в системе автоматизации.
Доминирующая в информационных и офисных системах сеть Eth-
69
ernet постепенно начинает распространяться на промышленный
и даже полевой уровни системы автоматизации технологического
агрегата, что упрощает и удешевляет построение и обслуживание
сетей системы автоматизации, а также способствует открытости и
взаимной совместимости систем производственной автоматизации с
информационными системами бизнес подразделений предприятия.
Этому способствует замена используемого в ceTHEthernet случайного
метода доступа любого узла к сети, не гарантирующего передачу
сообщений в заданное время, на метод жесткого разделения среды
передачи во времени между узлами сети или на метод доступа, при
котором любой узел одновременно принимает и передает сообщения в
режиме разделения времени. Кроме того, все сетевое оборудование сети,
рассчитанное на работу в конторских помещениях, начало выпускаться
рядом производителей в соответствии с требованиями промышленных
условий ее эксплуатации: запыленности, влаги, взрывоопасности,
вибрации, производственных помех и т. п. Данное перспективное
развитие сетей системы автоматизации получило наименование «Indus
trial Ethernet»;
Переход на беспроводную связь средств системы автоматизации.
Все шире распространяются в системе автоматизации беспроводные
сети, значительно снижающие затраты на построение системы;
особенно, при значительном пространственном распределении ее
технических средств. Этому способствуют повышение надежности
беспроводных сетей путем применения ячеистой структуры сетей,
резервирования каналов связи сетей, адаптивного выбора канала связи
передачи сообщения самими сетями, специальной защитой сетей от
электромагнитных помех. Следует отметить перспективное построение
беспроводной сети на основе стандарта ISA 100.11а с возможностью
передачи данных по различным протоколам, используемым
техническими средствами основных производителей продукции
автоматизации: HART, Modbus, Fieldbus, Profibus.
Ниже перечислены основные причины достаточно быстрого
развития беспроводных промышленных сетей и расширения области
их применения:
- экономия затрат на построение и внедрение беспроводных сетей
по сравнению с проводными сетями превосходит 50%. Ее причинами
являются отсутствие надобности в прокладке кабеля для передачи дан
ных, а также малые затраты на монтаж и внедрение системы;
- существенными достоинствами беспроводных сетей является бы
строта их внедрения и более простое обслуживание;
- современные беспроводные сети разных производителей
70
достаточно надежны (отказоустойчивы при нарушениях связи между
отдельными узлами или неисправности отдельных узлов), устойчивы в
работе, безопасны, защищены от помех и посторонних вмешательств;
- беспроводные сети не привязываю! оператора к пульту, а дают
ему возможность взаимодействовать с узлами сети из любого места его
нахождения;
- функционирующие беспроводные сети обеспечивают возмож
ность их расширения при почти полном невмешательстве в эксплуата
цию действующей части сети.
Перспективное развитие сетей охватывает несколько направлений:
-интеграция разных типов беспроводных сетей и их объединение
в единую беспроводную структуру применением специальных узлов,
которые переводят передаваемые по сети сообщения из одного в другой
тип сети;
- включение во входные узлы беспроводных сетей любых прово
дных приборов, имеющих аналоговый или цифровой электрический
выход, или даже не имеющих никакого электрического выходного сиг
нала, а выдающих измеряемое сенсором значение на стрелочный вто
ричный прибор. Эта функция реализуется выпуском входных узлов сети
- адаптеров, которые через модули сопряжения соединяют приборы с
беспроводной сетью. Различные типы адаптеров используются для со
единения с приборами, имеющими всевозможные аналоговые, импуль
сные, дискретные выходы, а также цифровые выходы на сети: Profinet,
Foundation Fieldbus HSE, Modbus/TCP и ряд других. Выпускаются адап
теры, считывающие видеокамерой данные со стрелочных приборов и
экранов мониторов. Эти же адаптеры при необходимости выполняют
функции первичной переработки выдаваемых приборами данных и диа
гностируют неисправности типа обрыва и короткого замыкания. Кроме
одноканального адаптера, взаимодействующего с отдельным прибором;
выпускаются многоканальные адаптеры, которые соединяются с рядом
приборов, имеющих различные выходные сигналы, обрабатывают эти
сигналы и последовательно передают их в беспроводную сеть;
- работа беспроводных сетей с переносными специальными вход
ными узлами сети. В частности, такие используемые персоналом про
изводства комплекты (переносный прибор и его адаптер) применяются
при измерении концентраций вредных газов по любым переделам про
изводства, при обнаружении утечек газа из трубопроводов переноси
мыми датчиками загрязнения воздушной среды, при наблюдении за
обстановкой различных производственных областей с помощью пере
носимых камер видеомониторинга. Такой, достаточно просто реализу
емый с помощью беспроводной сети контроль значительно расширяет
71
сферу автоматизации мониторинга общего состояния производства.
Следует подчеркнуть важные элементы работы беспроводных
сетей, которые должны быть учтены при их проектировании:
- эксплуатация беспроводных сетей достаточно чувствительна к их
энергопотреблению, поскольку источниками энергии являются элемен
ты питания. Поэтому при построении беспроводной промышленной
сети важно на этапе проектирования рассмотреть и проанализировать
разные варианты топологии сети, периодов опроса приборов, энерго
потребления различными узлами сети, чтобы выбрать вариант, который
при ограничениях на устойчивость передачи информации и на периоды
сбора данных с разных приборов позволит выбрать наиболее энергоэ
кономный режим работы сети;
- если каждая проводная сеть имеет свою физическую среду переда
чи данных (кабель или витая пара) и никак не влияет на работу других
проводных сетей производства, то разные беспроводные сети исполь
зуют одну и ту же физическую среду передачи данных (радиоканал
спектра частот от 2.400 до 2.483,5 Мгц) и, естественно, создают помехи
любым другим беспроводным сетям в окружающем пространстве. Это
обстоятельство ставит соответствующие ограничения на проектирова
ние любой беспроводной сети.
72
Раздел IL
Средства автоматизации полевого уровня
(датчики и исполнительные комплексы)
Общие положения
В данном разделе рассматриваются основные средства полевого
уровня автоматизации (кроме полевых сетей, которые рассмотрены в
предыдущем разделе).
Предваряя анализ современных средств полевого уровня, следу
ет уточнить используемую далее терминологию, касающуюся этих
средств.
С начала текущего века распространилась мода на термин
«Интеллектуальность», который стали применять к ряду современных
средств и систем автоматизации, без всякого реального соответствия
их этому понятию. Как обоснованно отмечено в : под интеллектуаль
ностью следует понимать процесс привлечения интеллектуальных
свойств в средства и системы автоматизации. Поскольку традиционно
интеллект понимается как адаптация организма к текущим изменени
ям жизни, то интеллектуальными средства или системы автоматиза
ции можно назвать, если они сохраняют свои функции и способности
эффективно решать поставленные им задачи при изменениях свойств
объекта контроля и управления и внешней среды. Применяемые в по
следние годы термины «интеллектуальный датчик», «интеллектуаль
ный позиционер» и т. п. ничего общего с интеллектом, в указанном
выше смысле этого понятия, не имеют. Они просто отличаются от ранее
производимых средств полевого уровня тем, что в них входит микро
процессор. Естественно, он существенно расширяет их функции, но не
снабжает их никакими интеллектуальными свойствами. Учитывая эти
обстоятельства далее применительно к современным средствам поле
вого уровня термин «Интеллектуальный» не применяется.
В то же время современный датчик, имеющий в своем составе
микропроцессор, кроме самого процесса измерения, выполняет ряд
добавочных функций и, в частности, производит преобразование изме
ряемого значения в заданные единицы измерения, выполняет самодиа
гностику и самокалибровку, реализует заданные ему вычислительные
и логические преобразования, сохраняет измеренные значения в своей
базе данных. Усложнились состав и структура современного датчика:
появились датчики, в которые входят ряд сенсоров; отдельные датчики
стали представлять собою измерительные системы, в которые входят
ряд самостоятельных датчиков и вычислительный модуль, преобразу
ющий их значения в измеряемую величину по заданному алгоритму.
73
Глава 4. Общие свойства современных датчиков
4.1. Классификация датчиков
Применяемые
в
технологических
производствах средства
полевого уровня автоматизации: измерительные приборы (датчики)
и исполнительные комплексы (исполнительные механизмы /
позиционеры/ и регулирующие органы) подразделяются на различные
классы. Датчики подразделяются по классам измеряемых ими величин:
- датчики физических показателей режимов технологических
процессов и перемещения материальных потоков: датчики избыточного,
абсолютного давления и разности давлений, объемного и массового
расхода, уровня жидких, сыпучих и кусковых материалов, температуры,
плотности;
- датчики качественных показателей сырьевых компонентов, по
луфабрикатов, готовой продукции и окружающей среды (поточные
анализаторы): хроматографы и спектрометры разных типов, газоанали
заторы, вискозиметры, PH-метры, кондуктометры и т д.;
- датчики состояния оборудования разных классов: датчики волн
напряжения, вибрации, перемещения, акустических величин, коррозии
ит. д.;
- датчики энергоресурсов: датчики количества и качества элек
троэнергии, датчики количества теплоэнергетических носителей,
тепловычислители;
- датчики безопасности: датчики наличия вредных газов в окружа
ющей среде; датчики появления токсичных выбросов, датчики возник
новения аварийных ситуаций и т. п..
Не углубляясь в терминологию и не выдвигая никаких новых
наименований необходимо подчеркнуть, что обзор датчиков в данной
главе касается только современных датчиков, состоящих из сенсора (или
ряда сенсоров) и микропроцессорного преобразователя. Современные
датчики, в подавляющем большинстве, выполняют, кроме процесса
измерения, следующие функции: необходимые аналого-цифровые
преобразования измеряемых сигналов, самодиагностику своей работы,
дистанционную настройку диапазона измерения, первичную обработку
измерительной информации, иногда еще ряд достаточно простых,
типовых алгоритмов контроля и управления. Они имеют интерфейсы
к стандартным/типовым полевым цифровым сетям, что делает их
совместимыми с практически любыми современными средствами
автоматизации, и позволяет информационно общаться с этими
средствами и получать питание от блоков питания этих средств.
74
4.2. Особенности современных датчиков
Особенности современных датчиков конкретно выявляются при
их общем сопоставлении с датчиками предыдущего поколения, не
включающих в свой состав программируемый микропроцессорный
преобразователь
1. Резкое уменьшение искажений измерительной информации на
пути от датчика к контроллеру при использовании цифрового выходно
го сигнала, т. к. вместо низковольтного аналогового сигнала по кабелю,
соединяющему датчики с контроллером, идут цифровые сигналы, на
которые электрические и магнитные промышленные помехи оказыва
ют несравнимо меньшее влияние.
2. Увеличение надежности измерения за счет самодиагностики дат
чиков, т. к. каждый датчик сам оперативно сообщает оператору факт
и тип возникающего нарушения, тем самым, исключая использование
для управления некачественных и/или недостоверных измерений.
3. Использование новых принципов измерения, требующих доста
точно сложной вычислительной обработки выходных сигналов сенсо
ров, но имеющих ряд преимуществ перед традиционно используемыми
принципами измерения по точности, стабильности показаний, простоте
установки и обслуживания датчика в процессе его эксплуатации (на
пример, помещении датчика вне измеряемой среды).
4. Возможность построения мультисенсорных датчиков, в которых
преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных
или разнотипных сенсоров.
5. Проведениезаданной первичной переработки измерительной ин
формации в самом датчике и выдача им искомого текущего значения
измеряемой величины в заданных единицах измерения.
6. Передача датчиком в систему автоматизации не только текущего
значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе
текущего значения за пределы заданных норм.
7. Наличие в датчике базы данных для хранения значений изме
ряемой величины за заданный длительный интервал времени, что по
зволяет по запросу оператора выдавать массив значений измеряемой
величины за требуемый интервал.
8. Реализация в датчике сопоставления текущего значения измеря
емой величины с прошлыми значениями этой величины, что позволяет
изменить саму форму взаимоотношения датчика с контроллером: ис
ключить циклическую передачу по сети каждого текущего измеряемого
датчиком значения, а инициативно подключаться к сети и передавать по
ней информацию только тогда, когда происходят заданные по величине
изменения текущего значения измеряемой величины по сравнению с
75
предыдущим значением или когда текущие измеряемые значения выхо
дят за пределы заданных норм.
9. Дистанционный выбор диапазона измерения датчика с пульта
оператора в оперативном режиме.
10. Наличие вариантов различных классов датчиков для работы в
системах ПАЗ, которые сертифицированы по уровням безопасности
SIL 2 и SIL3.
11. Возможность, путем программирования работы датчика на до
статочно простом технологическом языке, реализовывать в нем про
стые алгоритмы регулирования, программного управления, блокировок
механизмов.
12. Целесообразность в определенных, выбранных заказчиком ус
ловиях строить достаточно простые цепи регулирования, программ
ного управления, блокировок на самом нижнем, полевом уровне
управления из трех компонентов: датчиков, полевой сети и исполни
тельных комплексов, не загружая этими вычислительными операциями
контроллеры.
4.3. Экономические преимущества использования современных
датчиков
Ниже приведены те достоинства современных датчиков, которые
легко пересчитать в финансовые показатели экономии:
1. Стоимость современных датчиков превышает стоимость датчи
ков предыдущего поколения, поэтому первоначальные затраты заказ
чиков возрастают, но уменьшается стоимость установки современных
датчиков и их обслуживания за время эксплуатации, а увеличение ста
бильности их работы приводит к экономии за счет более редких пове
рочных испытаний.
2. Снижаются потери на производстве, вызванные использованием
для управления неточных и неверных показаний датчиков.
3. Экономия возникает в стоимости кабельных линий, соединяю
щих измерительные средства с контроллерами, т. к. К одной шине циф
ровой сети можно подсоединить от 8-ми до порядка 100 датчиков.
4. Возникает экономия в стоимости контроллеров, т. к. не требуется
включать в них блоки ввода, для связи с современными датчиками, ис
пользующими аналоговый выход.
5. При применении на взрывоопасных производствах полевых се
тей ProfibusPA или Foundation Fieldbus Hl возникает экономия из-за
уменьшения (или исключения) барьеров искробезопасности.
На рассматриваемом секторе рынка наблюдается достаточно высо
кая конкуренция ведущих в этой области отечественных и зарубежных
76
производителей, а также большая насыщенность российских произво
дителей, что позволяет заказчикам достаточно рационально подойти к
модернизации приборного парка на действующих производствах и к
оснащению датчиками вновь строящихся производственных объектов.
4.4. Структура современных датчиков
Современные датчики имеют многовариантную блочную структу
ру. Основными блоками являются сенсор и преобразователь. В одном
датчике может иметься ряд сенсоров, взаимодействующих с одним пре
образователем. Добавочным блоком может являться местный показы
вающий прибор.
Сенсор имеет обычно множество вариантов исполнения, рассчитан
ных на разные свойства измеряемой и окружающей сред и разную кон
струкцию объекта измерения:
- варианты арматуры (корпуса сенсора) под разные давления, тем
пературы, воздействия и помехи;
- варианты материалов арматуры, контактирующих с измеряемой
средой, под обычную, химически агрессивную, абразивную и другие
среды;
- варианты исполнения сенсора под обычную, гигиеническую,
взрывоопасную среды;
- варианты соединения сенсора с конструкцией объекта измерения
типа фланцевой, вафельной, резьбовой и т. д..
Преобразователь может быть компактно объединен с сенсором в
одном конструктиве, а может находиться в отдельном конструктиве и
размещаться рядом или на небольшой дистанции от сенсора.
Сам преобразователь состоит из программируемого микропроцес
сора с оперативным и постоянным модулями памяти, с аналого-циф
ровым преобразователем, с интерфейсом связи с типовыми полевыми
сетями. Обычно он также имеет ряд вариантов исполнения:
- варианты корпуса преобразователя под разные свойства окружаю
щей среды и разные имеющиеся внешние помехи;
- варианты питания прибора по наличию блока питания в нем или
питанию его от постороннего источника через полевую сеть;
- варианты выходных сигналов преобразователя по числу, по пара
метрам, по коммуникационным возможностям связи с различными по
левыми сетями.
Очень важно, что большинство производителей комплектуют дат
чики из сочетания разных вариантов сенсоров одного метода измере
ния с разными вариантамипреобразователей, рассчитанных на работу
с данной серией сенсоров. Благодаря этому удается наиболее точно и
77
полно удовлетворять отдельным конкретным требованиям к приборам.
Следует иметь в виду, что подобная, весьма технически рациональная
гибкость построения датчиков, в то же время, не позволяет, в ряде слу
чаев, дать оценку стоимости прибора без детального анализа выбран
ных вариантов составляющих его блоков.
Сам преобразователь может свободно комплектоваться из отдель
ных модулей при применении в нем стандартной открытой магистраль
но-модульной архитектуры. Одним из таких широко используемых
стандартов для средств измерительной техники является стандарт IEEE
1155 на VXlbus [2] (VMEbuseXtention for Instruments), который есть
расширение стандарта VMEbus. применяемого в промышленной авто
матике (стандарт VMEbus [3] рассмотрен далее в главе 7, пункт 7.3.1)
на средства полевого уровня.
VXlbus имеет следующие составляющие:
- менеджер ресурсов;
-локальная 32-х битная шина, объединяющая модули, размещен
ные в одном каркасе;
- дополнительная аналоговая шина и шина идентификации;
- конструктивная опора модулей - каркас по механическому стан
дарту “Евромеханика”.
Стандарт VXlbus, версия 3.0, 2004 года имеет скорость обмена
данных до 160 Мбит/с.
Модули, сформированные по стандарту, являются процессорно и
технологически независимыми. В одном каркасе может размещаться
до 21 модуля VXlbus.
Почти все модули стандарта VXlbus могут использоваться в VME
bus структурах и все модули VMEbus могут использоваться в VXlbus
структурах, но должны поддерживаться стандартными для VXlbus
программными драйверами.
В номенклатуру модулей VXlbus входят центральные процессоры,
сетевые контроллеры, разные виды памяти, генераторы импульсов
и функциональные генераторы, счетчики, таймеры, измерители
электрических параметров, аналоговые и цифровые вводы/выводы
сигналов разных уровней, аналого-цифровые и цифро-аналоговые
преобразователи.
Оперативным программным обеспечением преобразователя,
построенного из модулей VXlbus, могут являться любые операционные
открытые системы реального времени. Для программирования модулей
VXlbus используется специальный инструментальный язык SCPI (Stan
dart Commands for Programmable Instruments) [4], который реализуется
в модулях с помощью имеющихся компиляторов и интерпретаторов с
78
этого языка.
В настоящее время большое число фирм производят разнообразные
по назначению модули VXIbus, так что комплектация из них
всевозможных преобразователей принципиально не представляет
трудностей.
4.5. Реализуемые современными датчиками функции
Рассматриваемые датчики в подавляющем большинстве являются
многофункциональными приборами, для которых только традиционно
сохраняется наименование «датчик», а по выполняемым функциям они
все более приближаются к симбиозу датчика и контроллера. Тенденция
их развития, связанная со все расширяющимися возможностями
встроенных в них микропроцессоров, заключается в передаче им
от контроллеров все большего числа простейших типовых функций
контроля и управления. Кроме того, современные датчики все более
широко используют возможности своего микропроцессорного
преобразователя для совершенствования процесса измерения:
повышения точности, увеличения надежности, оперативного изменения
диапазона измерения, автоматического исключения ошибочных
выходных данных, расширения функций дистанционного управления
работой сенсора.
Ниже рассматривается распространенный комплекс функций,
который реализуется в современных датчиках, выпускаемых ведущими
производителями.
Информационные функции
Датчики хранят в своей памяти и, по дистанционному запросу
пользователя, выдают все данные, определяющие свойства,
характеристики, параметры данного конкретного прибора: его тип,
заводской номер, технические показатели, возможные диапазоны
измерения, установленную шкалу, заданные параметры настройки
сенсора, работающую версию программного обеспечения, архив
проведенных метрологических проверок, срок проведения следующей
проверки датчика и т. п.. Кроме того, датчики могут иметь архив
текущих измеряемых и вычисляемых ими значений величин за
заданный интервал времени.
Функции конфигурирования
Дистанционное формирование или модификация пользователем
основных настроечных параметров датчика: установка нуля прибора,
выбор заданного диапазона измерения, фильтрация текущих значений,
выбор наименования единиц измерения, в которых датчик должен
выдавать информацию и т. п. действия.
79
Функции форматирования
Определение выходов значений измеряемой величины за заданные
нормы, выдача различных сообщений об изменениях значений
измеряемой величины, проверка нахождения параметров измеряемой
среды в допустимых диапазонах. Все эти функции дистанционно
настраиваются пользователем.
Функции самодиагностики
В процессе работы датчики выполняют анализ своей работы:
при возникновении различных сбоев, нарушений и неисправностей
фиксируют их место возникновения и причину, определяют выход
погрешности прибора за паспортную норму, анализируют работу
базы данных датчика. Датчик может выдавать оператору до 30-ти
различных сообщений, конкретизирующих текущие особенности его
работы и резко облегчающих и ускоряющих его обслуживание (при
необходимости вмешательства персонала КИП'а в его работу).
Обычно, информация, выдаваемая датчиком об отдельных его
неисправностях, подразделяется на два типа:
- некритическая информация, когда датчик требует определенного
обслуживания, но измеряемые им значения могут использоваться для
управления;
- критическая информация, когда выходные данные датчика невер
ны и либо требуется немедленное вмешательство оператора по прио
становке использования его показаний, либо сам датчик переводит свой
выход в постоянное безопасное для управления процессом значение и
сообщает о необходимости срочного обслуживания прибора.
Функции преобразования
Датчик преобразует электрический сигнал на выходе сенсора
(обычно, низковольтный аналоговый, или частотный, или импульсный
сигнал) в значение заданного наименования единицы измерения; при
этом он выполняет коррекцию выходного значения по сопутствующим
текущим показателям состояния измеряемой среды (например,
по ее температуре и/или давлению), в случае, если показания
датчика зависят и от них. В приборе проводятся необходимые
преобразования измерительной информации: усиление сигналов
сенсора, стандартизация диапазонов выходных аналоговых сигналов,
линеаризация и фильтрация измеренных значений, расчет выходных
значений по заданным алгоритмам, аналого-цифровое преобразование
значений измеряемой величины.
Управляющие функции
В последнее время все большее число добавочных функций,
непосредственно
связанных с управлением
технологическим
80
процессом, стали возлагать на современные датчики. Для реализации
этих функций в память микропроцессора датчика прошивается
соответствующий набор типовых программных модулей, а их инициация
и параметризация проводится дистанционно оператором с помощью
простейшего графического конфигуратора. В качестве типовых
программных модулей используются простейшие арифметические
и логические операции, таймер, элемент чистого запаздывания,
интегратор, варианты регуляторов: Р, I, PI, PD, PID и т. п. функции,
из которых легко набираются конкретные алгоритмы регулирования
разных видов, блокировочные зависимости, алгоритмы смешивания и
другие простые, типовые алгоритмы автоматизации.
4.6. Перспективы развития современных датчиков
Наблюдаемые в настоящее время тенденции развития датчиков
можно подразделить на ряд направлений, по каждому из которых в
ведущих приборостроительных фирмах ведутся работы и появляются
промышленные разработки, имеющие успешные внедрения.
Датчики, использующие новые методы измерения
В последние годы намечается перспективная тенденция
разработки таких методов измерения, которые требуют существенной
вычислительной обработки, реализуемой в микропроцессорном
преобразователе датчика. Основанные на этих методах сенсоры имеют
следующие важные для заказчиков свойства:
- расположение сенсора вне измеряемой среды, что существенно
сказывается на расширении сферы его применения, на увеличении
стабильности показаний, на облегчении установки и обслуживания,
ведет к отсутствию экономических потерь при его эксплуатации;
- исключение в сенсоре любых движущихся частей (в том числе,
электромеханических блоков), что повышает надежность его работы и
упрощает его обслуживание;
- отсутствие особых требований сенсора к конструкции объекта
измерения и к характеру измеряемого потока в районе измерения, что
расширяет возможности использования датчиков в разных местах
производственных объектов и удешевляет их установку.
Беспроводные датчики
Экономическая и техническая перспективность использования
для широко круга промышленных объектов беспроводных датчиков
бесспорна. Практически, в беспроводных датчиках, ко всем имеющимся
у них функциям добавляют функцию телемеханической радиосвязи
с другими средствами автоматики (обычно, с контроллерами, также
оснащенными блоками радиосвязи).
81
Предпосылками развития беспроводных датчиков служат с одной
стороны, наблюдающееся снижение стоимости радиотехнических
устройств и повышение надежности беспроводной связи, достигнутая
зашита сетей беспроводной связи от помех и от постороннего доступа;
а с другой стороны, возникающая экономия затрат при сравнении с
проводной связью.
При
использовании
беспроводной
связи
разработчиками
просматриваются следующие стратегии разделения радиоканалов:
- множественный доступ во временной области (TDMA). Каждый
датчик получает свой временной интервал, в течение которого он мо
жет передавать информацию;
- множественный доступ в частотной области (FDMA). Каждый
датчик передает информацию на отведенной ему частоте;
- множественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Каждый
датчик имеет свой код, причем коды не коррелированны, что позволяет
подавлять любые сигналы - возмущения, которые при этом восприни
маются приемником как белый шум.
Особенно широкое развитие получают беспроводные датчики сле
дующих классов:
- датчики различных физических величин (давление, расход, темпе
ратура, уровень и т. д ),
- датчики текущего положения регулирующих органов;
- датчики
различных
характеристик
текущего
состояния
оборудования;
- переносные датчики концентраций вредных газов в окружающей
среде.
Многосенсорные датчики
Нет принципиальных трудностей в подключении к одному
преобразователю нескольких сенсоров, измеряющих одну и ту же
или разные величины. Датчик, выдающий информацию о текущих
значениях ряда измеряемых величин, во многих промышленных
применениях и экономически, и технически существенно более
эффективен, чем использующаяся для этих же целей группа датчиков
отдельных измеряемых величин. Существующая ниша применения
таких мультиизмерителей достаточно обширна и их разработки весьма
перспективны.
Многофункциональные датчики
Число и разнообразие реализуемых в датчике функций со
временем все более увеличивается; датчики становятся все более
многофункциональными средствами автоматизации, для которых
сам термин «датчик» становится все более неполным и условным.
82
Перспективные разработки включают в себя:
- адаптивные датчики (датчики, которые в зависимости от теку
щих свойств измеряемого сигнала, автоматически изменяют диапазон
измерения);
-датчики, включающие алгоритмы прогнозирования значения из
меряемой величины;
- датчики, имеющие достаточно объемные собственные хранилища
измеряемой информации и производящие достаточно сложную и объ
емную обработку данных измерения;
- датчики со все более полной самодиагностикой, сообщающий не
только о уже возникших сбоях и неисправностях, но и выдающих про
гноз по их возможной некорректной работе и дающих рекомендации по
их техобслуживанию;
- датчики, выполняющие все больший объем задач, которые далеко
выходят за рамки измерения отдельных величин: расчет показателей
контролируемого процесса, обнаружение в контролируемом процессе
событий типа нарушения или неисправности, реализация ПИД- регу
лирования и логического управления механизмами;
- датчики с метрологическим самоконтролем, который может быть
реализован различными методами: в датчик, кроме самого сенсора,
вставляется еще второй аналогичный сенсор и при измерениях произ
водится сопоставление значений измерений двух независимых сенсо
ров; в датчике помещается два разных по принципу действия сенсора,
которые измеряют одну и ту же величину и сопоставляют одновремен
но измеренные ими значения; в датчик вводится отдельный эталонный
объект, имеющий постоянное, определенное измеряемое значение, и
периодически датчик проводит измерение эталонного объекта и сопо
ставляет полученное значение с истинным значением эталона.
Встраиваемые в оборудование датчики
Очень перспективным
направлением является разработка
миниатюрных,
встраиваемых в
выпускаемое промышленное,
технологическое оборудование проводных и беспроводных датчиков.
Широкое распространение таких датчиков коренным образом изменяет
структуру полевого уровня систем автоматизации. При выпуске
промышленного оборудования с встроенными в него датчиками сами
приборы становятся не внешними дополнениями технологического
процесса, а его неотъемлемыми частями.
Фирмами-производителями приборов начали выпускаться датчики
объемом в несколько мм3 для измерения температуры, давления,
влажности, других параметров среды. В этот объем входит как сам
сенсор, так и необходимый вычислительный ресурс для преобразования
83
измеряемого сигнала в цифровую форму, его обработки и передачи в
полевую сеть. Создание миниатюрных датчиков возможно на базе ряда
современных и частично новых методов измерения и параллельно ведет
к увеличению точности и качества работы приборов.
Датчики с метрологическим самоконтролем
В общем потоке неисправностей датчиков подавляющей
частью отказов является увеличение погрешности измерения
сверх нормируемого в их паспорте значения. Эта неисправность
обнаруживается и компенсируется периодической метрологической
поверкой датчиков (для многих датчиков физических величин она
должна проводиться каждые 2 года). Поверка обычно проводится на
специальных стендах и требует предварительного демонтажа датчиков.
Однако, подобные достаточно редкие поверки и калибровки не могут
гарантировать необходимую точность показаний датчиков в любой,
определенный момент времени внутри интервала метрологических
испытаний датчиков.
Использование в датчике программируемого микропроцессора
позволяет пересмотреть процедуру метрологической поверки для
многих классов датчиков, возложив ее на сам прибор, уменьшив период
поверки до любого заданного значения и исключив демонтаж прибора на
время его поверки и калибровки Практически в датчики закладываются
добавочные элементы, мониторинг которых реализуется параллельно
с процессом измерения, а результат мониторинга позволяет оценить
существующую погрешность датчика и при выходе его из паспортного
класса точности дать сигнал о необходимости его обслуживания.
Метрологический самоконтроль может быть реализован различными
методами; причем для разных классов датчиков могут быть разработаны
разные способы самоконтроля точности их измерений. Так, например,
возможны следующие формы самоконтроля:
- структурная избыточность: в датчик, кроме самого сенсора, встав
ляется еще второй аналогичный сенсор и при измерениях производится
сопоставление значений измерений двух независимых сенсоров;
- функциональная избыточность: в датчике помешается два разных
по принципу действия сенсора, которые измеряют одну и ту же величи
ну и сопоставляют одновременно измеренные ими значения;
- ввод эталона: в датчик вводится отдельный эталонный объект,
имеющий постоянное, определенное измеряемое значение, и периоди
чески (с заданным оператором периодом) датчик проводит измерение
эталонного объекта и сопоставляет полученное значение с истинным
значением эталона.
В утвержденном российском стандарте ГОСТ Р 8.734-
84
2011 [5] «Датчики интеллектуальные и системы измерительные
интеллектуальные» рассмотрено формирование датчиков с функцией
метрологического самоконтроля.
4.7. Необходимые классы датчиков для контроля работы
технологических агрегатов
Показатели работы технологического агрегата в подавляющем
большинстве производств определяются оценками значений следующих
величин.
Датчики режима работы технологического агрегата измеряют:
- температуры процесса в отдельных точках или распределением
температуры по поверхности, или по определенным зонам;
- абсолютное, избыточное, дифференциальное давление в различ
ных местах процесса или в отдельных блоках агрегата;
- уровень или масса жидкости, шлама, пульпы, сыпучих и кусковых
материалов в резервуарах, емкостях, бункерах, силосах агрегата.
Датчики качественных показателей технологического процесса
определяют:
-текущие оценки качественных показателей используемых сы
рьевых компонентов, получаемых полуфабрикатов в отдельных узлах
технологического процесса, выпускаемых агрегатом продуктов, опре
деляемые анализом их состава, измерением их определенных свойств,
испытанием их отдельных характеристик.
Датчики расходов перерабатываемых агрегатом материальных и
используемых энергетических потоков оценивают:
- массы (объемы) различных сырьевых компонентов, включая ката
лизаторы процесса и обратные потоки материальных компонентов от
выхода агрегата;
- производимые агрегатом массы (объемы) различных продуктов и
разного вида отходов;
- изменения массы (объемов) в принадлежащих агрегату емкостях.
Следует отметить, что все входные и выходные расходы матери
альных потоков, а также изменения заполнения емкостей агрегата ре
комендуется определять в единицах массы; а не объема, поскольку в
технологическом процессе возможен переход обрабатываемого матери
ала из одного физического состояния в другое (например, из жидкости в
газ), что исказит объемный баланс входных и выходных материальных
потоков агрегата, но не отразится на их массовом балансе.
Расходы используемых агрегатом энергетических потоков, которые
подразделяются:
- на расходуемую электроэнергию;
85
- на расходуемую тепловую энергию различных теплоносителей,
- на расходы энергоресурсов типа сжатого воздуха, азота, оборот
ной воды.
Датчики текущего состояния основного динамического
оборудования и средств систем автоматизации производственных
объектов контролируют:
- состояние основного динамического оборудования, под которым
понимаются те единицы вращающегося оборудования, от качества ра
боты и износа которых зависит поддержание заданного режима работы
производственного объекта. Контроль производится путем измерения
температуры подшипников, уровня вибрации, волн напряжения, энер
гопотребления и т. п. косвенных характеристик текущего состояния от
дельных единиц оборудования;
- точность и исправность компонентов систем автоматизации про
изводственных объектов полевого уровня: работы датчиков (анализ
смещения нуля прибора и потери точности); состояния позиционеров и
регулирующих органов (измерение гистерезиса и залипания регулиру
ющих органов, процента времени их нахождения в конечных положе
ниях); выявления обрывов полевых сетей;
- качество работы компонентов ПЛК (РСУ): анализируют точность
ПИД-регулирования путем вычисления текущего среднеквадратично
го отклонения регулируемой величины от заданной уставки, выявляют
колебательный режим регулирования, определяют процент времени от
ключения регуляторов и перевода управления на ручной режим; выяв
ляют неисправности во всех компонентах ПЛК.
Датчики контроля и учета текущего перемещения материальных
потоков по производству:
- контроля перемещения материальных потоков по всем линиям
транспортной сети производства путем измерения и вычисления расхо
дов материальных потоков по каждой линии сети;
- контроля заполнения и опорожнения хранилищ сырьевых компо
нентов, полуфабрикатов, готовой продукции (резервуаров, бункеров,
складов) измерением наполнения/опорожнения и хранения уровнеме
рами, расходомерами материальных потоков, весами;
- контроля приема сырьевых компонентов и отгрузки готовой про
дукции путем измерения их массы (объема) весами или расходомерами.
Средства обнаружения сверхнормативных материальных и
энергетических потерь и мест их возникновения:
- измерение расходов и вычисление материального баланса меж
ду входами и выходами технологических агрегатов, между взаимос
вязанными материальными потоками цехами производства, между
86
поступлением и расходом материальных потоков в хранилищах, меж
ду отдельными участками транспортной сети материальных потоков.
Результатом анализа уравнений материального баланса является выяв
ление мест сверхнормативных материальных потерь;
- измерение расходов и вычисление энергетического баланса (от
дельно по различным видам потребляемых энергоресурсов) между
отдельными переделами производства и обнаружение мест сверхнор
мативных энергетических потерь.
Датчики безопасности (контроля состояния окружающей среды)
Анализаторы качественных показателей окружающей технологиче
ский агрегат или предприятие среды (измерители содержания токсич
ных, горючих, взрывоопасных газов) и сигнализаторы о возникновении
ситуаций, требующих немедленного вмешательства операторов.
Естественно, что все измеряемые, вычисляемые и анализируемые
величины и показатели должны удовлетворять заданным требованиям
по достоверности, точности и надежности. Для оперативного управ
ления агрегатом, независимо от того какую часть управляющих функ
ций реализует автоматическая система, а какую выполняет оператор,
необходимо в каждый момент времени получать полную картину те
кущего состояния агрегата и характеристик протекающего в нем техно
логического процесса. На подавляющем большинстве обследованных
производств различных отраслей технологические агрегаты не обеспе
чены текущим полноценным автоматическим контролем их работы.
Наиболее часто отсутствует датчики следующих групп оперативных
данных о работе агрегата:
- датчики оперативного использования различных энергоресурсов;
- датчики состояния основного динамического и статического обо
рудования агрегата;
- датчики-сигнализаторы влияния технологического процесса на
окружающую среду;
- датчики качественных показателей материальных потоков на вхо
дах и выходах агрегата.
Требуемая информационная картина, дающая полноценное
представление о текущей работе и состоянии агрегата, должна
формироваться ниже перечисленными классами датчиков.
Глава 5. Обзор общепромышленных классов датчиков
В
данной
главе
рассматриваются
датчики
разных
общепромышленных классов. Подробность описания свойств и
характеристик датчиков в основном определяется распространением
отдельных классов датчиков на предприятиях разных технологических
87
отраслей. Более подробное описание приводится по перспективным
видам приборов, распространение которых имеет тенденцию к
расширению.
5.1. Датчики давления
Датчики давления подразделяются на следующие классы:
- датчики избыточного давления, которые измеряют давление по от
ношению к атмосферному давлению в районе измерения (есть вариант
герметизированных датчиков избыточного давления, которые измеряют
давление по отношению к атмосферному давлению на уровне океана);
- датчики абсолютного давления, которые измеряют давление по от
ношению к вакууму;
- датчики дифференциального давления (иначе, датчики перепада
давления), которые измеряют разницу между двумя прикладываемыми
к ним давлениям.
В большинстве датчиков их сенсоры защищаются от измеряемой
среды специальными разделителями, состоящими из разделительной
мембраны, контактирующей с измеряемой средой, и масляным или
иным инертным заполнителем, через который давление измеряемой
среды передается от разделительной мембраны до самого сенсора.
Указанные разделители могут быть дистанционного типа, у таких дис
танционных разделительных трубок расстояние между разделительной
мембраной и сенсором может достигать метра и более.
В ряде датчиков давления имеется несколько сенсоров. Так, по
встроенным в них термометрам микропроцессорные преобразователи
датчиков проводят коррекцию измеренного давления (компенсацию
температурной погрешности), ав датчиках дифференциального давления
иногда измеряется еще и статическое давление среды, покоторому также
проводится коррекция. Эти корректирующие вычисления приводят к
повышению точности работы датчиков давления
Варианты сенсоров датчиков давления
Ниже рассмотрены распространенные сенсоры датчиков давления.
Резистивные измерители давления.
Давление, приложенное к мембране и создающее ее прогиб,
передается на резистивный элемент (пьезо- или тензорезистивный),
включенный в мостик Уитстона. Изменение сопротивления этого
элемента, пропорциональное приложенному на мембрану давлению,
преобразуется в датчике в соответствующий электрический выходной
сигнал. Если к другой (опорной) стороне сенсора приложено
атмосферное давление, то датчик измеряет избыточное давление;
если опорная сторона сенсора герметизирована и в ней вакуум, то
88
датчик измеряет абсолютное давление; если к опорной стороне
приложено другое измеряемое давление среды, то датчик измеряет
дифференциальное давление (перепад давления).
Емкостные измерители давления
Мембрана сенсора является одной из пластин конденсатора.
Приложенное к мембране давление прогибает ее, что изменяет емкость
между ней и второй пластиной конденсатора. Емкость преобразуется
в датчике в соответствующий электрический выходной сигнал,
пропорциональный приложенному давлению.
Резонансные измерители давления
Сенсором являются два монокристаллических резонатора, Под
действием цепи возбуждения резонаторы колеблются с определенной
частотой, котораяопределяетсявычислителем. Давлениясоднойи другой
стороны датчика через разделительные мембраны прикладываются к
соответствующим резонаторам, получающаяся деформация которых
вызывает изменения их частот колебаний. Вычисляемая разность частот
двух резонаторов пропорциональна разности давлений, приложенных к
датчику.
Свойства и характеристики датчиков давления
Датчики избыточного, абсолютного и дифференциального
давления имеют очень обширную сферу применения во всех отраслях
промышленности. Кроме непосредственного определения давления
в заданных местах технологических объектов, датчики избыточного
давления используются для определения уровня жидкости в
резервуарах; датчики дифференциального и абсолютного давления
совместно с термометрами сопротивления используются в датчиках
расхода газа и жидкости, работающих по методу измерения перепада
давления на заданном сужении; датчики дифференциального давления
служат определителями плотности жидкости по разности давлений на
фиксированных высотах заполненного жидкостью резервуара.
Следует отметить,
что
выпускаются
датчики
давления,
специализированные для оценки другихвеличин измеряемой среды. Так,
датчики избыточного давления, предназначенные для измерения уровня
жидкости в резервуарах, выпускаются в специальном конструктивном
исполнении с фланцем, монтируемым на стене резервуара; датчики
давления, предназначенные для измерения расхода, имеют в одном
датчике три сенсора: дифференциального давления, абсолютного
давления, измерителя температуры среды.
Ниже приводится примерный диапазон основных характеристик
датчиков давления.
1. По точности датчики давления различаются на порядок: диапазон
89
погрешности от 0,05 до 0,5%.
2. По диапазонам измерения можно отобрать датчики на практиче
ски любые пределы давления: от десятитысячных бар до многих сотен
бар; при этом в указанных пределах конкретный диапазон измерения
может быть настроен на требуемые параметры.
3. По свойствам измеряемой среды основные отличия заключают
ся в температуре и давлении среды, на которые рассчитаны датчики.
Температурный диапазон приборов разных типов несколько различен,
но в совокупности охватывает широкие температурные пределы изме
ряемой среды от -50 до +300 и выше. Статическое давление измеря
емой среды у многих приборов может достигать многих сотен баров.
Такие свойства измеряемой среды как химическая агрессивность,
абразивность, вязкость успешно компенсируются специальными раз
делительными мембранами, которые в качестве отдельных аксессуаров
предлагаются большинством производителей.
4. По свойствам окружающей среды подавляющее большинство
датчиков может работать в любых промышленных средах: при взры
воопасности , при наличии вибрации, при воздействии электрических
полей. Датчики рассчитаны на работу вне помещения; они имеют вы
сокую степень защиты от пыли, влаги, воды, а имеющийся температур
ный диапазон окружающей среды -40 -+85 позволяет переносить им
сезонные колебания температур в большинстве районов России.
5. По выходным сигналам и коммуникационным свойствам датчики
имеют как типовой аналоговый выход, так и связь с полевой сетью по
стандартным цифровым протоколам.
5.2. Датчики объемного расхода
Из всех классов общепромышленных датчиков, пожалуй,
наибольшее разнообразие типов, используемых методов измерения,
свойств и характеристик имеют датчики расхода газа, пара и жидкости,
что заставляет потенциальных покупателей особенно тщательно
относиться к их выбору.
Варианты сенсоров датчиков объемного расхода
Расходомеры по перепаду давления
Измерение расхода по перепаду давления на каком либо сужении
трубопровода (диафрагме, сопло, трубе Вентури, трубке Пито и т.
д.) является обычным, до сих пор часто используемым на практике
методом измерения расходов газов и жидкостей. В этом методе для
измерения расхода газа в датчике используется три сенсора: сенсор
перепада давления на установленном сужении в трубе, сенсор
статического давления газа в месте замера, сенсор температуры газа
90
в месте замера; а для измерения расхода жидкости используется два
сенсора: сенсор перепада давления на установленном сужении в трубе,
сенсор температуры жидкости в месте замера По полученным от этих
сенсоров текущих значений измеряемых величин преобразователь
датчика по известной типовой формуле рассчитывает искомый расход.
Следует отметить, что применение приборов, использующих
данный, наиболее привычный для практиков, метод измерения,
имеет ряд недостатков по сравнению с некоторыми другими
классами приборов расхода, базирующихся на других принципах его
определения. Сужение требуется устанавливать на достаточно длинном
прямолинейном участке трубопровода, чтобы в месте измерения не
было никаких турбулентных завихрений; энергетически эксплуатация
сужения трубы, при наиболее распространенном типе сужения диафрагме, приводит к существенным дополнительным затратам, т.
к. на диафрагме происходит постоянная, значимая потеря давления;
точность измерения расхода существенно зависит от постоянства
размеров сужения: должны быть исключены его истирание, налипание
на нем каких-либо веществ, задержка им посторонних включений,
которые могут находиться в измеряемой среде.
Вихревые расходомеры
В англоязычной литературе этот тип расходомеров подразделяют
на два подтипа: Vortex Flowmeter и Swirlmeter. Ниже отмечаются их
различия.
Измерение объемного расхода газов, паров, жидкостей в этих
расходомерах основано на принципе вихревой дорожки Кармана.
Поперек трубопровода помещается специальное тело обтекания (обычно
это призма трапецеидального сечения). Вихри потока, образующиеся за
ним, имеют регулярный периодический характер. Эти вихри образуют
периодические колебания давления за сенсором, частота которых
определяется скоростью протекания (т. е. расходом) измеряемой
среды. Изменяющееся во времени давление воздействует, например,
на пьезоэлемент, преобразующий колебания действующего на него
давления в электрические импульсы. Далее эти импульсы усиливаются,
преобразуются и формируют выходной сигнал, пропорциональный
расходу. Точность измерения не зависит от плотности, температуры,
давления измеряемой среды. Вихри очищают тело обтекания от
возможных отложений. Сенсоры достаточно чувствительны к вибрации
и к попаданию в поток достаточно крупных инородных предметов,
в последнем случае при задержке предмета у тела обтекания может
полностью исказиться процесс измерения. Чтобы в этом случае знать
о возникновении неверных показаний датчика следует иметь в нем
91
детектор инородных предметов в потоке.
Если в вихревом расходомере подтипа Vortex вихри образуются за
счет помещения в поток некоторого тела обтекания, то в расходомере
подтипа Swirl в трубопровод вставляется тело, по форме подобное
турбинному ротору, которое придает потоку вращательное движение.
Ядро этого вихревого вращательного движения находится в центре
тела, а далее по ходу потока вихревое движение оттесняется к
стенкам трубы и образующиеся у стенок вторичные вихревые потоки
производят колебания давления, пропорциональные расходу потока
через трубопровод.
Эти колебания давления, также как в случае расходомера подтипа
Vortex, улавливаются пьезоэлементом и переводятся в выходной
электрический сигнал.
Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объем
ного расхода жидкостей любого типа и газов, проницаемых к акусти
ческому сигналу. По принципу измерения они подразделяются на два
подтипа. Принцип измерения большинства ультразвуковых расходоме
ров - разница в скорости распространения ультразвуковой волны вдоль
и против потока среды. Два приемопередающих сенсора располагаются
на разных концах диаметра трубы, со сдвигом по ее длине. Если по
ток движется по направлению от первого к второму сенсору, то время
прохождения ультразвуковой волны от первого до второго сенсора (по
течению) будет меньше, чем от второго до первого сенсора (против те
чения). Измеряемая разность времени прохождения этих двух волн пря
мо пропорциональна средней скорости продукта, а, следовательно, его
объемному расходу. Ультразвуковые расходомеры различаются числом
лучей, испускаемых сенсорами. При многолучевых сенсорах получен
ные разности времен усредняются, что увеличивает точность прибора.
Обычно используются датчики с числом лучей от одного до пяти. При
установке датчиков требуется наличие прямого участка трубы порядка
10-20 диаметров условного прохода трубы до датчика и порядка 5 10 диаметров условного прохода трубы после датчика. Поскольку сами
сенсоры, независимо от исполнения (накладные или встраиваемые в
трубу), не перекрывают поперечное сечение измерительного участка
трубы, то потеря давления в датчике отсутствует. Точность измерения
не зависит от вязкости, температуры, давления и электропроводности
измеряемой среды.
Некоторые ультразвуковые расходомеры имеют другой принцип
измерения - Доплер-эффект. Звуковая волна определенной частоты
ударяется о твердые частицы или газовые пузырьки, находящиеся в
92
потоке жидкости, и, отражаясь от них, возвращается назад уже с дру
гой частотой. Разность этих частот пропорциональна скорости частиц,
от которых произошло отражение волны, т. е. скорости потока или его
объемного расхода (при этом считается, что отражающие волну части
цы имеют скорость потока). В этом подтипе расходомера измеряемая
разность частот зависит не только от расхода потока, но и от скорости
звука в потоке, поэтому она должна быть известна и заложена в алго
ритм расчета. Поскольку на скорость звука влияют температура и плот
ность среды, в которой он распространяется, то показания расходомера
данного подтипа зависят от их значений.
Электромагнитные расходомеры
Электромагнитные расходомеры предназначены для измерения
объемного расхода жидкостей, в том числе различных пульп,
шламов, паст (возможно с содержанием твердых частиц), у которых
электрическая проводимость не ниже определенного минимума
(для разных типов электромагнитных расходомеров этот минимум
составляет 20, 5, 0.01 tyiS/cm). Индуктивная катушка, намотанная
на трубе, по которой идет поток жидкости, создает магнитное поле
внутри трубы. Электропроводная жидкость пересекает магнитное
поле и индуцирует напряжение, которое прямо пропорционально
средней скорости потока жидкости. Это напряжение снимается двумя
электродами, которые либо находятся в прямом контакте с потоком
жидкости, либо измеряют его через емкостную связь. Чтобы напряжение
не замыкалось накоротко на стенке трубы, сама труба в датчике
изготавливается из электроизоляционного материала, либо футеруется
им изнутри. Полученные значения напряжения пересчитываются в
объемный расход, причем измеряемые датчиком значения практически
почти не зависят от профиля потока; от свойств жидкости (давления,
температуры, вязкости, плотности, состава, электропроводности); от
загрязнения электродов. При установке датчиков не требуется длинных
участков трубопровода до и после датчика (у многих расходомеров
минимальный прямой участок трубы до датчика - 5 и менее диаметров
условного прохода; после датчика - 2 и менее диаметра условного
прохода); поперечное сечение измерительного участка трубы ничем не
перекрывается и потеря давления в датчике отсутствует.
Индуцируемое
электропроводной
жидкостью
напряжение
достаточно мало (менее 0.5 мв при скорости потока 1 м/с), поэтому в
расходомерах основное внимание уделяют исключению различных
помех (стабильности магнитного поля, подавлению шумов напряжения,
качеству усиления индуцируемого напряжения), чтобы получить
достаточно точные и стабильные показания.
93
Свойства и характеристики датчиков объемного расхода
Ниже приведены основные характеристики различных типов
измерителей объемного расхода:
- по характеру измеряемой среды наиболее универсальны расходо
меры по перепаду давления; они используются для разнообразных сред
измерения: газ, пар, жидкость, причем последняя может иметь значи
тельную вязкость; очень широк диапазон параметров среды измерения:
температура - -200 -+500 давление - до 300 и выше бар; также широк
диапазон диаметров трубопровода: 10-1000 и более мм;
- вихревые расходомеры по универсальности измеряемой среды на
ходятся на втором месте; они используются для сред измерения: газ,
пар, жидкость, последняя не должна иметь значительную вязкость; ди
апазон параметров среды измерения: температура - -200 -+300/400 ,
давление - до 100 и более бар; диапазон диаметров трубопровода: 15300 мм;
-ультразвуковые и электромагнитные расходомеры работают, в
основном, только на жидкостных средах, причем электромагнитные
расходомеры используются только при электропроводящей жидко
сти (вязкость жидкости не играет роли); диапазон параметров среды
измерения: температура - -60 -+230 , давление - до 100 бар; диапа
зон диаметров трубопровода: 6-6000 мм (ультразвуковой), 2-3000 мм
(электромагнитный);
- потерю давления на сенсоре не имеют ультразвуковые и электро
магнитные расходомеры, остальные типы расходомеров в месте уста
новки сенсора теряют от 0,4 до 2,0% давления относительно значения
давления в данной точке;
- погрешность измерения может быть наименьшей у электромаг
нитных и ультразвуковых расходомеров (порядка 0,2%), остальные
типы расходомеров работают, в основном, в диапазоне погрешности
0,5-2,0%;
- электромагнитные, ультразвуковые расходомеры и расходомеры
по перепаду давления принципиально могут измерять расход в прямом
и обратном направлениях;
- по возможным свойствам окружающей среды практически
все расходомеры имеют опции на разные промышленные условия
эксплуатации;
- выходные сигналы приборов и коммуникационные средства всех
приборов охватывают имеющиеся аналоговые и цифровые стандарты.
Пересчет объема газа к принятым, единым условиям его давления и
температуры
Поскольку измеренный объемный расход газа существенно
94
зависит от его давления и температуры, то для сопоставления расходов
различных газовых потоков необходимо привести их к одинаковым
условиям. Такой пересчет проводится стандартными программамикорректорами (см. ГОСТ 8-586-2005 - вычисление расхода газа и ГОСТ
2939 - перевод объема газа к стандартным условиям).
Эти программы, размещаемые в преобразователе объемного
расходомера или в отдельном контроллере (часто в специальном
микропроцессорном устройстве -нормализаторе расхода газа), проводят
пересчет замеренного объема (расхода) газа на его объем (расход) при
нормированных или при стандартных условиях.
Под нормированными условиями понимается объем газа при
давлении 760 мм рт. ст. и при температуре 273.16 К. (0 С).
Под стандартными условиями понимается объем газа при давлении
760 мм рт. ст. и при температуре 20 С.
5.3. Датчики массового расхода
Все датчики объемного расхода могут использоваться и для расчета
массовогорасхода: для этого микропроцессорный вычислитель датчика
должен умножить полученный объемный расход на заранее заданную,
известную или специально замеряемую отдельным датчиком плотность
измеряемой среды.
В этом разделе рассматриваются только те датчики, которые
непосредственно измеряют массовый расход.
Варианты сенсоров датчиков массового расхода
Кориолисовы расходомеры
Принцип действия расходомера - эффект Кориолиса, который
в расходомерах реализован по следующей обобщенной схеме. В
трубопровод вставляется труба прибора, изогнутая, например, в виде
полуовала или другой фигуры и закрепленная в корпусе трубопровода
своими концами. С одного конца трубы прибора вещество втекает в нее,
затем оно, проходя по трубе, делает изгиб на 180 градусов и вытекает из
другого конца трубы в направлении, противоположном входу в трубу.
Труба
прибора
приводится
в
поперечные
колебания
электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба трубы.
Колебания трубы аналогичны колебаниям камертона.
Измеряемая среда, протекающая через трубу, вместе с ней
совершает вертикальные колебания. Когда во время первой половины
цикла колебания труба движется вверх, то втекающая в нее среда,
сопротивляясь этому движению, давит на трубу вниз. Этот силовой
вертикальный импульс поглощается при движении среды вокруг
изгиба трубы. В это же время вытекающая из тру бы измеряемая среда
95
сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения
трубы и толкает трубу вверх. Это приводит к закручиванию трубы.
Когда во время второй половины цикла колебания труба движется вниз,
то силовые импульсы измеряемой среды противоположны и труба
закручивается в противоположную сторону. Этот эффект закручивания
трубы носит название эффекта Кориолиса. По второму закону Ньютона
угол закручивания трубы прибора пропорционален массе среды,
проходящей через трубу в единицу времени.
Измерение этого угла закручивания происходит следующим
путем. С противоположных концов трубы прибора устанавливаются
электромагнитные детекторы скорости колебаний трубы. При
отсутствии потока через трубу она не закручивается, поэтому между
сигналами детекторов нет временной разницы. При наличии потока
через трубу она закручивается и при этом возникает разность во времени
в поступлении двух сигналов по скорости. Измеряется величина этой
разности, которая прямо пропорциональна массовому расходу через
трубу прибора.
Тепловые расходомеры
Принцип действия тепловых расходомеров основан на эффекте
охлаждения нагретого тела, помещенного в газовый поток. В газовый
поток помещаются два сенсора - термометры сопротивления. Один
из них используется как обычный измеритель температуры газового
потока, а другой - нагревается проходящим через него током. Сам
принцип измерения расхода может реализоваться разными способами.
При первом способе ток изменяется так, чтобы разность температур
между этими двумя термометрами сопротивления сохранялась
постоянной. Чем большая масса в единицу времени протекает через
нагреваемый сенсор, тем сильнее будет охлаждающий эффект и
тем больший ток потребуется для сохранения постоянным разности
температур между сенсорами. Измеряемое значение этого тока будет
пропорционально массе продукта, протекающего по трубопроводу в
единицу времени.
При втором способе ток, нагревающий термометр сопротивления,
сохраняется постоянным во времени, а измеряется разница температур
между не нагреваемым и нагреваемым термометрами сопротивления,
которая является функцией массы протекающего продукта.
Свойства и характеристики датчиков массового расхода
Ниже приведены обобщенные черты (достоинства и недостатки)
рассмотренных основных типов непосредственных измерителей
массового расхода (кориолисовых и тепловых расходомеров).
Достоинства
кориолисовых
расходомеров:
отсутствуют
согласующие прямые участки трубопровода до и после места установки
96
датчика; показания датчика не зависят от давления, плотности,
температуры измеряемой среды; датчик может производить одним
сенсором измерения расхода и плотности, а добавочно обычно измеряет
температуру термометром сопротивления.
Недостатки кориолисовых расходомеров: есть существенные
ограничения по диаметру трубопровода; при неправильной установке
датчик чувствителен к вибрациям; на его показания влияют газовые
включения в потоке жидкости.
Достоинстватепловых расходомеров: незатрудненный проход потока
через место нахождения сенсора и, следовательно, отсутствует падение
давления на датчике; не требуются прямые участки трубопровода до и
после места установки датчика; нет движущихся частей в датчике.
Недостатки тепловых расходомеров: датчики применимы только
для измерения массы газа, а если в газе содержатся примеси, которые
могут осадиться или налипнуть на сенсоры, то перед ними требуется
установка фильтра.
Ниже приводится диапазон характеристик рассмотренных датчиков
массового расхода.
1. По точности наилучшими являются датчики, работающие на эф
фекте Кориолиса, (они имеют погрешность от 0,1%); тепловые датчики
имеют большую погрешность (до 2,0%).
2. По диаметрам трубопровода наибольшие ограничения у корио
лисовых расходомеров (диаметры в диапазоне 1-600 мм); тепловые рас
ходомеры и расходомеры по перепаду давления практически не имеют
ограничений на диаметр трубопровода.
3. По свойствам измеряемой среды все датчики имеют примерно оди
наковые широкие пределы по температуре и давлении Температурный
диапазон приборов охватывает широкие температурные пределы от
-240 до +300 . Статическое давление измеряемой среды у многих при
боров может достигать многих сотен баров.
4. По свойствам окружающей среды подавляющее большинство
датчиков может работать в почти любых промышленных средах; вклю
чая взрывоопасные среды, запыленность и высокую влажность среды,
вибрационные помехи, сезонные колебания температуры при работе
датчика вне помещения.
5. По выходным сигналам и коммуникационным свойствам датчики
всех рассмотренных производителей имеют типовой аналоговый выход
и связь с стандартными полевыми сетями.
5.4. Датчики плотности
Варианты сенсоров датчиков плотности
Широко используется определение плотности потока, протекающего
в трубопроводе, массовыми расходомерами, основанными на принципе
97
использования кориолисовой силы, которые измеряют плотность как
дополнительную характеристику измеряемой среды.
Одним и тем же сенсором прибора: вибрирующей трубкой,
закрепленной на одном конце, определяются:
- по ее углу закручивания вокруг своего изгиба (по эффекту
Кориолиса) - массовый расход;
- по частоте резонансных колебаний трубки - плотность проходя
щего через нее потока.
Трубка такого прибора выполнена, например, в виде полуовала с
жестко закрепленными концами, находящимися со стороны обреза
полуовала, и свободно висящей с другой стороны полуовала трубкой.
Такая конструкция, или подобная ей по принципу закрепления трубки,
механически является пружиной с массой, которая закреплена на одном
конце.
Трубка прибора приводится в движение электромагнитной катушкой,
расположенной в центре изгиба ее полуовала (у незакрепленного
участка трубки).
Возникающие
колебания
трубки
подобны
колебаниям камертона, она колеблется со своей резонансной частотой
(амплитуда менее 1 мм, а частота порядка десятков гц). Резонансная
частота колебаний трубки является функцией массы самой трубки и
находящейся в ней измеряемой среды. Масса самой трубки является
постоянной величиной, а масса среды в трубке равняется произведению
ее плотности на объем трубки, последний также является постоянной
величиной. Таким образом, частота резонансных колебаний трубки
однозначно определяется плотностью среды в трубке прибора. Эта
частота оценивается самой электромагнитной катушкой, а возникающие
при изменении температуры измеряемой среды изменение модуля
упругости материала трубки учитывается специальным добавочным
температурным сенсором, включенным в состав прибора (обычно им
является термометр сопротивления).
Таким образом, кориолисов массовый расходомер дает три выходных
сигнала, характеризующих массовый расход протекающего через него
потока, плотность этого потока и его температуру.
Кроме того, выпускаются отдельные приборы - плотномеры
жидкостей и газов, которые измеряют плотность как в потоке (в
трубопроводе), так и в неподвижной среде (в емкости).
Распространенным принципом действия плотномеров является
тот же принцип резонансных вибраций, который принят при
измерении плотности в кориолисовых расходомерах. В измеряемую
среду вставляется виброэлемент (типа камертона), резонансные
98
колебания которого поддерживаются возбуждающей силой. Частота
этих колебаний определяется колебательной массой, окружающей
виброэлемент, которая в свою очередь пропорциональна плотности
этой массы.
Для измерения плотности жидкости в резервуарах применяют
также измеритель дифференциального давления. В резервуаре по его
вертикали закрепляю! две дистанционные разделительные трубки
с мембранами на концах. Эти мембраны разнесены по вертикали
резервуара на фиксированное расстояние от 0,5 до 1,0 м. Вторые концы
разделительных трубок подведены к датчику дифференциального
давления, который таким образом измеряет перепад давления
между фиксированными уровнями жидкости по высоте резервуара.
Получаемый на выходе сенсора сигнал, определяющий разность
давления, пропорционален удельному весу жидкости, т. е. ее плотности.
Свойства и характеристики датчиков плотности
Несомненным и заслуженным лидером методов измерения плотности
является вибрационный метод, используемый как в трубопроводах,
так и в резервуарах; как в отдельных датчиках плотности, так и в
комплексных приборах, основанных на эффекте Кориолиса.
Экономически
при
многих
промышленных
применениях
целесообразно использовать для измерения плотности в потоке
кориолисов расходомер, поскольку за стоимость одного прибора
заказчик получает значения трех важных величин потока: массового
расхода, плотности и температуры.
По основным техническим характеристикам датчики плотности
разных фирм имеют следующие отличия друг от друга:
- точность плотномеров, вне зависимости от метода измерения, до
стигает у ряда производителей 0,01%, тогда как есть датчики и с по
грешностью 1,0%;
- свойства измеряемой среды охватываются в большинстве моделей
приборов достаточно широко: по давлению до ЗООбар и более, по тем
пературе от-50 до +200 ; в то же время есть ряд приборов с существен
но более узкими диапазонами свойств измеряемой среды;
- предлагаемые диапазоны измерения у всех датчиков соответству
ют колебаниям плотности большинства жидкостей и основных газов;
- окружающая среда, на которую рассчитаны все датчики, соответ
ствует большинству промышленных условий их работы;
- выходы практически всех датчиков удовлетворяют минимальному
типовому набору, а у многих приборов имеется широкая номенклатура
типовых сигналов и интерфейсов к полевым сетям.
99
5.5. Датчики уровня
Рассматриваются датчики уровня жидкости, шлама, пульпы,
сыпучих и кусковых материалов в резервуарах, емкостях, бункерах,
силосах.
Варианты сенсоров датчиков уровня
Датчики избыточного давления - измерители уровня
Сравнительно простым способом измерения уровня жидкости
в емкости является установка у дна емкости датчика избыточного
давления, который измеряет давление действующего на него столба
жидкости. Микропроцессор датчика по известному удельному весу
жидкости пересчитывает измеренное избыточное давление в уровень
жидкости в емкости.
Поплавковые уровнемеры
Давно используемым методом измерения уровня жидкостей в
резервуарах является опускание на тросе в жидкость буя (поплавка) и
замер длины троса, при котором буй входит в жидкость. При изменении
уровня жидкости изменяется сила натяжения троса, которая является
сигналом для автоматического поиска датчиком нового положения и
новой фиксации буя.
Магнитострикционные уровнемеры
Сенсором уровнемера является волновод, выполненный в виде
пустотелой трубки, проходящей по всей высоте емкости, в которой
находится продукт. На трубке смонтирован поплавок с магнитами,
который всегда фиксирует уровень продукта. Датчик генерирует
низковольтный импульс, который, проходя по волноводу, создает
электромагнитное поле. Это поле взаимодействует с магнитным полем
магнитов поплавка и в этом месте создает упругую деформацию
волновода. В месте этой деформации возникает ответный импульс.
Интервал времени от посылки импульса до приема ответного импульса
датчиком пропорционален расстоянию от датчика до поверхности
продукта.
Волновые бесконтактные уровнемеры (радарные и ультразвуковые)
Принцип действия волновых уровнемеров - измерение времени
прохождения сигнала от поверхности продукта до уровнемера. Сам
уровнемер, в котором находятся излучатель и приемник сигнала
(антенна), размещается над поверхностью продукта. В качестве
сигнала используются либо импульсы, либо частотно модулированная
непрерывная волна В первом случае, уровнемер определяет интервал
времени от момента испускания импульса до его возвращения после
отражения от поверхности продукта. Во втором случае, частотно
модулированная непрерывная волна при распространении кповерхности
100
продукта и обратно к антенне смешивается с сигналом, излучаемым
в каждый данный момент; в результате этого смешения получается
разностный сигнал низкой частоты, который пропорционален
расстоянию от уровнемера до поверхности продукта.
Волновые контактные уровнемеры
Находящийся над поверхностью продукта датчик испускает короткие
волны импульсами, которые двумя проводниками, проходящими через
всю высоту резервуара, направляются вдоль них. Сами проводники
могут быть реализованы в виде коаксиальной трубки, в виде стержней, в
виде гибких тросов. Столкновение проходящих вдоль проводников волн
с поверхностью продукта или с дном емкости вызывает образование
обратной волны, время возвращения которой замеряется датчиком.
Метод по разному реализуется в зависимости от относительной
диэлектрической проницаемости продукта.
Для продукта с относительной диэлектрической проницаемостью 2
измеряется отражение прямо от поверхности продукта. Если продукт
имеет две разделенные по высоте резервуара фазы, отличающиеся между
собою относительной диэлектрической проницаемостью больше, чем
на 10 единиц диэлектрической проницаемости, то возможно измерение
не только уровня всего продукта, но и уровня раздела его фаз. Для этого
используется еще и измерение времени возвращения остаточной волны,
добавочно отраженной от раздела фаз.
Для продукта с низкой относительной диэлектрической
проницаемостью < 2, при которой отраженный от поверхности
продукта сигнал не достаточно четко выражен, применяется другая
разновидность метода. Проводники закорачиваются точно на дне
емкости и волна, идущая вдоль них, отражается от дна и фиксируется
датчиком. Время прохождения волны до дна и обратно определяется
скоростью волны на воздухе и в продукте; последняя, в свою очередь,
зависит от диэлектрической проницаемости продукта и его высоты
в резервуаре. Если в программу расчета датчика введено значение
диэлектрической проницаемости продукта, то однозначно определяется
уровень продукта в резервуаре.
При другом варианте, сенсор опускается до дна резервуара.
Он испускает импульсы, которые проходят через заполняющий
емкость материал и отражаются на границе материала и воздушной
среды. Сенсором замеряется время от запуска импульса до прихода
отраженного сигнала. Оно зависит от диэлектрической проницаемости
материала (которая известна) и его уровня.
Емкостные уровнемеры
Чувствительным элементом уровнемера является длинный зонд,
проходящий по всей высоте емкости, в которой находится продукт. Зонд,
101
покрытый специальным составом, представляет собою длинную линию,
у которой активная и реактивная составляющие полного сопротивления
равны между собой. Датчик формирует токи определенной частоты
через зонд и измеряет емкость и проводимость чувствительного
элемента. Полученные их значения позволяют рассчитать чистую
емкость продукта, которая зависит от той части зонта, которая покрыта
продуктом, т. е. от его уровня.
Свойства и характеристики уровнемеров
Рассматривая свойства и характеристики уровнемеров разных
производителей можно отметить нижеследующие важные для
пользователей черты, отличающие их друг от друга.
1. Уровнемеры подразделяются на два класса: контактные и бес
контактные. Последние базируются на достаточно тонких физических
методах (радиолокационных, ультразвуковых, микроволновых и т. п.) и
обладают рядом несомненных технических преимуществ:
- очень широкая область применения: жидкости, шламы, пульпы,
тестообразные массы, сыпучие и кусковые материалы в емкостях из
металла или бетона;
- независимость от вредных свойств измеряемой среды, типа хими
ческой агрессивности, абразивности и т. д.;
-высокая точность измерения: погрешность порядка 2-10 мм (в
большинстве датчиков менее 0,1%);
- сравнительная простота обслуживания приборов во время их про
мышленной эксплуатации.
2. По точности датчики разных производителей, даже основанные
на одном и том же принципе измерения, различаются весьма значитель
но: диапазон погрешности от 0,05 до 2,0%.
3. По диапазону измерения различия также существенны: от 0-4 м
до 0-70 м.
4. По температуре и давлению измеряемой среды датчики рассчи
таны на совершенно разные условия работы: температурный диапазон
приборов от -40 до +80 или от -ПО до +400 . Статическое давление
измеряемой среды у многих приборов может достигать сотен бар.
5. По свойствам окружающей среды подавляющее большинство
датчиков, вне зависимости от принципа измерения, могут работать в
различных промышленных условиях: они имеют высокую степень за
щиты от пыли, влаги, воды, а рассчитанный температурный диапазон
окружающей среды -40 -+50/85 позволяет переносить им сезонные ко
лебания температур в большинстве районов России.
6. По выходным сигналам и коммуникационным свойствам датчики
всех рассмотренных производителей имеют типовой аналоговый выход
и варианты связи со стандартными полевыми сетями.
102
5.6. Датчики температуры
Датчики температуры разных видов охватывают измерением
широкий диапазон температур от сотен отрицательных до тысяч
положительных градусов Цельсия. Все разнообразие датчиков можно
разделить на два класса используемых сенсоров: контактные сенсоры
(термометры сопротивления и термопары) и бесконтактные сенсоры
(пирометры и тепловизоры).
Контактные сенсоры температуры
При необходимости измерять температуру в диапазонах внутри-200
-+850 С обычно применяют термометры сопротивления разных типов,
в которых используется эффект изменения удельного электрического
сопротивления металла от его температуры (чем выше температура, тем
выше сопротивление металла). Никелевые термометры сопротивления
имеют диапазон изменения температуры -60 (70) -+180 (3 00) С, медные
термометры сопротивления имеют диапазон изменения температуры
-360 (200) -+220(550) С, платиновые термометры сопротивления имеют
диапазон изменения температуры -200 -+650 (850) С. Погрешность
термометров сопротивления лежит в пределах 0,1 - 4,6 С (более
высокое значение погрешности наблюдается при измерении более
высоких температур).
Непосредственно к термометрам сопротивления примыкают
термисторы и полупроводниковые сенсоры температуры.
Термисторы - полупроводники, имеющие большой температурный
коэффициент сопротивления двух вариантов: с повышением
температуры их сопротивление падает или с повышением температуры
их сопротивление растет. Они используются для измерения температур
в узких диапазонах порядка нескольких градусов Цельсия.
В полупроводниковых сенсорах температуры (обычно, диодах)
используется явление изменения напряжения на р-n переходе при
изменении температуры в месте их нахождения. Эта зависимость близка
к линейной; поэтому выходной сигнал напряжения пропорционален
температуре и его изменение составляет примерною мв/l С.
Для измерения температуры в диапазонах внутри примерно
-200 -+1800 С применяют разные типы термопар, принцип действия
которых основан на возникновении термоЭДС в месте спая двух
разнородных металлических стержней. Величина этого ЭДС
пропорциональна разности температур между местом спая металлов
(контакта термопары с измеряемым объектом) и холодным концом
металлических стержней ( их контактом с проводниками).
Существует порядка десятка различных, применяемых на
предприятиях термопар, из них наиболее распространены следующие
103
виды:
- термопара «хромель-копель» с диапазоном измерения -40 -+ 600 С
при длительном контакте термопары с объектом;
- термопара «хромель-алюмель» с диапазоном измерения -40 -+
1100 С при длительном контакте термопары с объектом;
- термопара «платина-платинородий» с диапазоном измерения 0 -+
1600 С при длительном контакте термопары с объектом.
При краткосрочном контакте термопары с объектом диапазон
измерения несколько расширяется.
Точность измерения у термопар ниже, чем у термометров
сопротивления (погрешность порядка 1 С и больше), причем конкретное
значение погрешности достаточно существенно зависит от температуры
холодного спая термопары. Ввиду этого в преобразователе датчика
обычно производится компенсация температуры холодного спая.
Сами
используемые
повсеместно
общепромышленные
температурные сенсоры: термопары и термометры сопротивления
подверглись за последние годы наименьшим изменениям.
В зависимости от свойств измеряемой среды и конструктивного
места помещения в ней сенсора, рассмотренные сенсоры размещаются в
разнообразных корпусах, варианты которых предлагают производители.
Корпуса могут быть существенно разными по размерам, быть жесткими
и гибкими, иметь различные способы крепления к конструкции объекта
измерения, быть стойкими к химической агрессивности и абразивности
среды, иметь гигиеническое исполнение, отличаться по динамическим
свойствам и т. п..
Датчики температуры,
использующие указанные сенсоры,
подразделяются на два класса:
- точечные датчики - производят измерение в одной точке объекта;
- многоточечные (многозонные) датчики.
Последние имеют в своем составе от двух-трех до нескольких
десятков температурных сенсоров. Для многих промышленных
объектов их применение технически и экономически эффективно,
поскольку оно позволяет
- используя только один датчик увеличивать точность измерения
температуры внутри объекта за счет усреднения измеренных значений
температуры в разных его точках;
- иметь новый тип температурного датчика: датчик профиля темпе
ратурного поля;
- снижать затраты на измерение температур в объекте за счет ис
пользования одного преобразователя датчика при десятке и более тем
пературных сенсоров.
104
Преобразователь температурного датчика, как минимум получая
текущие измерения от всех сенсоров датчика, производит усиление
милливольтных сигналов сенсоров, линеаризацию их показаний,
компенсацию температуры холодного спая термопары, заданные
вычислительные операции с измеренными данными (особенно
существенные при использовании в датчике ряда температурных
сенсоров), преобразование результирующих данных в аналоговые
или цифровые выходные значения, которые передаются получателю
типовыми полевыми сетями.
Перспективным для пользователей является проектно-компануемый
датчик температуры под конкретные требования заказчика. Заказчику
предоставляется возможность использовать в датчике практически
любой типовой температурный сенсор, предлагается на выбор широкий
набор конструктивов сенсора (корпуса различных размеров, материала,
формы; различные виды арматуры крепления датчика на объекте) и ряд
преобразователей, имеющих интерфейсы к разным типовым полевым
сетям.
Погрешность датчиков разных производителей мало отличается
друг от друга. Она зависит от следующих факторов:
- верхнего предела диапазона измерения (чем он выше, тем больше
абсолютная погрешность измерения);
- погрешности преобразователя;
- применяемых в датчике методов компенсации различных помех.
В лучших по точности датчиках погрешность составляет несколько
десятых градуса (если используется термометр сопротивления и
верхний предел измерения не выше 200 С).
Все приведенные датчики рассчитаны на работу в широком
диапазоне свойств окружающей среды. Они имеют типовые выходные
сигналы и коммуникационные связи со стандартными полевыми
сетями.
Бесконтактные сенсоры температуры
Пирометр - прибор для бесконтактного, дистанционного измерения
температуры объекта путем измерения мощности его теплового
излучения в диапазонах видимого и инфракрасного спектра. Пирометры
являются основным измерителем температуры раскаленных объектов,
непосредственный контакт сенсора с которыми невозможен из-за их
высоких температур. Пирометры подразделяются на радиационные
(они вычисляют температуру по мощности теплового излучения)
и мультиспектральные (они определяют температуру по анализу
теплового излучения в различных спектрах). Результат измерения
выражается в градусах Цельсия и передается в типовую сеть через один
105
их последовательных интерфейсов. Погрешность пирометра зависит от
его разрешения и свойства поверхности измеряемого объекта, которые
задаются коэффициентом его излучения.
Тепловизор - прибор показывает распределение температуры на
поверхности рассматриваемого объекта, которая видима в объективе
прибора. Распределение температуры отображается на мониторе в
виде цветового поля, где каждой температуре соответствует свой цвет.
Информация может быть передана через интерфейс на удаленный
компьютер пользователя Важным объектом применения тепловизоров
является анализ локальных повышений температуры на поверхности
отдельных единиц оборудования, который свидетельствует о развитии
в них определенных дефектов.
5.7. Поточные анализаторы качественных показателей
Существует множество различных классов производственных
поточных анализаторов состава и качественных показателей газовых,
жидких и твердых сред: кондуктометры, PH-метры, влагомеры,
вискозиметры, спектрофотометры, газоанализаторы, хроматографы,
спектрометры и т. д., и т. п.
Большинство классов поточных анализаторов ориентированы на
использование в достаточно узком типе производств. Независимо от
метода измерений поточные анализаторы подразделяются по месту
производства измерений:
- в потоке, когда в поток вставляется сенсор (зонд),
- в отобранной из потока пробе;
а также по реактивности получения результатов анализа:
- непрерывная выдача результатов текущего анализа,
- периодическое проведение анализа и выдача результатов с запаз
дыванием до нескольких десятков минут.
Ниже перечисляются только некоторые из классов поточных
анализаторов, имеющие достаточно широкое распространение в
технологических отраслях промышленности.
Газовые хроматографы
Газовые хроматографы широко используются для анализа
химического состава органических веществ.
Инертный газ
(например, гелий или азот) проходит через находящуюся в термостате
хроматографическую
колонку,
наполняемую
анализируемым
веществом, проба которого принудительно вводится в нее из
производственного потока. На выходе из колонки детектор измеряет
в выходящем из колонки газе концентрацию отдельных компонентов
анализируемого вещества. Метод измерения может быть различным
106
(пламенно-фотометрический,
термоионный,
электрохимический,
пламенно-ионизационный и. т. п. детекторы), но он измеряет те
свойства, которых не имеет используемый в хроматографе инертный
газ. По данным, получаемым от детектора, компьютер вычисляет
искомый состав анализируемого вещества. Градуировка ряда
хроматографов реализуется автоматически. Настройка и диагностика
работы хроматографа реализуется с помощью заложенных в компьютер
программ.
Недостатками
поточных
хроматографов
являются
трудоемкость их использования и сравнительно большая длительность
анализа пробы.
Инфракрасные (ИК) жидкостные спектрометры
ИК спектрометр на основе преобразования Фурье используется для
определения концентрации отдельных составляющих компонентов в
жидкостном образце. Поток инфракрасного излучения от его источника
передается по оптоволокну в измерительную ячейку, где находится
измеряемый образец и проходит сквозь него, частично поглощаясь
образцом. Поглощение энергии излучения образцом на каждой частоте
спектра строго зависит от свойств образца. Разни ца энергии излучения до
и после ее прохода сквозь образец на каждой частоте пересчитывается в
компьютере с помощью Фурье-преобразования в спектр ее поглощения
образцом, а спектр обрабатывается калибровочным модулем, который и
определяет искомые значения компонентов и качественных показателей
в анализируемом образце. Время получения спектра поглощения и
его пересчета в искомые значения показателей составляет несколько
секунд.
Спектрометры, работающие в среднем диапазоне ИК являются
более чувствительными и обладают более высоким разрешением, чем
спектрометры, использующие ближний диапазон ИК.
Испол ьзу ются два варианта измерител ьных ячеек для анализируемых
образцов: погружные и проточные. Погружные ячейки располагают
внутри трубопровода и анализ проводится без извлечения пробы и без
какой-либо пробоподготовки Проточные ячейки устанавливаются в
систему байпас, обеспечивающую подачу пробы к ячейке, и позволяют
анализировать продукт при соответствующей системе подготовки
пробы, а также при контроле температуры и давления пробы.
Точность измерения показателей в основном определяется
правильностью калибровочной модели, разработка которой является
наиболее ответственным и трудоемким этапом. Процесс калибровки
спектрометра осуществляется его поставщиком и состоит из следующих
этапов:
- выбор серии калибровочных образцов,
107
- стабилизация условий эксперимента и параметров среды;
- регистрация спектра каждого калибровочного образца;
- разработка калибровочной модели.
Беспробоотборные газовые анализаторы
Беспробоотборные
газоанализаторы состоят из зонда и
измерительного блока и устанавливаются непосредственно в
необходимое место технологического процесса. Они применяются в
различных производственных средах, независимо от их температуры,
влаги, пыли, агрессивности.
В качестве метода измерения газоанализаторы используют различные
классы дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии.
Источником излучения, например, является полупроводниковый лазер,
луч которого проходит через поток анализируемого газа. Поглощение
отдельных частот луча излучения газом зависит от его состава.
Находящийся по выходе оптический приемник определяет полученный
спектр поглощения газом, а вычислитель рассчитывает площадь под
отдельными пиками поглощения разных частот, которая переводится в
концентрацию искомых компонентов в анализируемом потоке газа.
В зависимости от существующих (измеряемых) компонентов в
газовом потоке, имеющих разное поглощение излучения на отдельных
частотах, меняется спектр частот источника излучения:
- если измеряются в газовом потоке компоненты SO2, NO, NO2NHV
то используется ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия;
- если измеряются в газовом потоке компоненты СО2, СО, Н2О, N2O,
то используется инфракрасная (ИК) спектроскопия;
- если измеряются в газовом потоке компоненты О2, NH3, НС1, HF,
то используется лазерная спектроскопия.
РН-метры
Приборы измеряют РН: активность ионов водорода в жидкой среде.
Показатель РН определяет щелочность /РН >7/, нейтральность /РН=7/
или кислотность /РН10 лет) привести к нежелательным последствиям:
- затруднениям при их модернизациях, коммуникациях с другими
приборами и системами, которые могут приобретаться в будущем;
- недостатком их возможностей при необходимости внедрения в
дальнейшем более совершенных алгоритмов;
- повышенными затратами на обслуживание при будущей эксплуа
тации контроллеров.
Ввиду этого необходимо при оценке разных контроллеров иметь
четкие представления о современности предлагаемых вариантов, а зна
чит учитывать существующие мировые тенденции их развития.
Анализируя происходящие в последние годы изменения в структу
ре, характеристиках и параметрах контроллеров можно проследить сле
дующие тенденции их развития:
- освоение контроллерами беспроводных промышленных и поле
вых сетей, что существенно расширяет открытость контроллеров и
упрощает их внедрение;
- оснащение контроллеров интерфейсами с сетями Ethernet, порта
ми USB;
- включение в состав выносных блоков ввода/вывода контроллеров
микропроцессоров, что позволяет ряд простейших типовых функций
контроля и управления перенести из центрального процессора кон
троллера в эти блоки. При этом происходит распределение отдельных
140
типовых функций контроля и управления по ряду периферийных ми
кропроцессоров контроллера и они могут реализовывать эти функции
автономно от центрального процессора, со своим циклом обработки
данных;
- построение универсальных блоков ввода/вывода в контроллерах,
которые конфигурируются на различные аналоговые и дискретные ка
налы отдельной программой. Это позволяет сократить число блоков в
конкретной системе и запасных частей для них более, чем на 30%;
- развитие рынка нано- и микроконтроллеров ввиду их все более
существенной вычислительной мощности, обусловленной использо
ванием современных, достаточно мощных процессоров; а также их
дешевизной и малыми габаритами Их включение в систему контроля
и управления позволяет наиболее точно учесть требования к системе
со стороны отдельных небольших блоков и механизмов автоматизи
руемого объекта (требования к динамике, надежности, числу входов и
выходов); максимально приблизить контроллеры к датчикам и испол
нительным механизмам; рассредоточить реализацию алгоритмов кон
троля и управления, что повышает надежность работы всей системы;
- сближение технологий построения контроллеров и PC, поскольку
в операционных системах общего назначения для PC типа WindowsNT,
QNX, UNIX, Linux стали включаться ядра мягкого реального времени,
что позволяет учесть при их работе динамические требования произ
водственных сообщений. Это позволяет учитывать промышленную
специфику функционирования контроллеров и использовать в них на
работанное для PC программное обеспечение;
- намечается тенденция реализации в контроллерах средней и
большой мощности достаточно сложных и объемных, усовершенство
ванных алгоритмов контроля и управления. К таким алгоритмам отно
сятся, например, диагностические алгоритмы, алгоритмы адаптивного
регулирования, многосвязного регулирования, качественного нечеткого
регулирования, субоптимального регулирования на базе предикт-контроллеров, оптимального управления. Использование этих алгоритмов
позволяет существенно повысить эффективность автоматизации.
Практическая реализация рассматриваемых тенденций приводит к
тому, что простейшие типовые функции контроля и управления отходят
к его периферийным блокам ввода/вывода и к полевым приборам,
оснащенных микропроцессорами, а контроллер средней и большой
мощности переходит на реализацию усовершенствованных функций
контроля и управления, и коррекций работы его периферийных модулей
и полевых приборов в части выполняемых ими типовых функций
контроля и управления.
141
Глава 8. Характеристики промышленных контроллеров
Если выделить важнейшие для пользователей параметры
промышленных контроллеров, то это будут характеристики
центрального процессора контролера, вариант операционной системы
контроллера, имеющееся прикладное программное обеспечение
контроллера, параметры его различных блоков ввода/вывода,
открытость контроллера, характеристики надежности, ограничения по
свойствам окружающей среды. Все эти характеристики значительно
отличаются друг от друга у различных промышленных контроллеров.
Знание вышеуказанных характеристик позволяет наилучшим
образом согласовать требования к системе автоматизации с
возможностями отдельных контроллеров; не допустить как применения
излишне мощной аппаратуры (а, следовательно, и более дорогой), так и
применения контроллеров, которые по некоторым показателям не будут
полностью удовлетворять заданным условиям работы.
Ниже рассмотрены конкретные варианты важных для заказчиков
характеристик современных промышленных контроллеров.
8.1. Характеристики центральных процессоров контроллеров
Вычислительные и динамические характеристики контроллера
определяются параметрами центрального процессора контроллера и
используемой в контроллере операционной системы.
В современных контроллерах средней и большой мощности
часто используется одно- или двухядерный центральный процессор
со следующими параметрами: разрядность - 16, 32 или 64 разряда,
частота - 500,600 МГц, ОЗУ - примерно до 100 Мбайт и даже до 1 Гбайта,
флеш-память - до 1000 Мбайт. Наличие многоядерного процессора
позволяет распараллеливать данные (одна операция одновременно
выполняется в разных ядрах с разными файлами данных) и программы
(программа разделятся на подпрограммы, выполняемые одновременно
разными ядрами).
Память подразделяется на постоянную (с электрическим и/или
программным стиранием) для хранения программ и долговременно
хранимой информации и энергонезависимую, оперативную память для
хранения оперативных данных. Объемы разных видов памяти лежат
в диапазоне от десятков килобайт до сотен мегабайт. Применяются
сменные накопители памяти объемом несколько Гбайт.
Ряд контроллеров имеют встроенные часы.
В контроллере могут использоваться несколько центральных
процессорных
устройств
с
разными
микропроцессорами,
выполняющими разные функции: либо одни из них выполняют
142
математические, а другие - логические функции, либо одни реализуют
функции типового контроля и регулирования, а другие являются
математическими сопроцессорами.
Динамика работы контроллера характеризуется рядом показателей:
- время выполнения тысячи булевых команд - от 0,01 до 3 мс;
- время выполнения тысячи операций с плавающей точкой - от 100
мкс;
- время опроса одного канала: дискретного - порядка 10 мс и анало
гового - порядка 50 мс;
- время реакции на аварийное событие - от нескольких десятков до
сотни мс;
- время выполнения прикладной программы до 20 мс;
- скорость передачи данных по сетям - десятки Мбит/с по инфор
мационной сети Ethernet и сотни Кбит/с по промышленным и полевым
сетям.
Следует отметить наличие контроллеров, минимизирующих
энергопотребление за счет организации спящих режимов по отдельным
задачам и функциям, которые исключаются в текущем интервале
времени.
8.2. Характеристики операционной системы контроллеров
В качестве операционных систем контроллеров большинство фирм
использует открытые многозадачные операционные системы реального
времени (ОСРВ). Ряд контроллеров может работать с ОСРВ разных
производителей. ОСРВ контроллеров должны реагировать в заданные
временные интервалы на непредсказуемый поток внешних событий.
Это определяет особенности операционных систем реального времени
и их отличия от обычных многопользовательских операционных систем
общего назначения (ОС):
- ОС общего назначения ориентирована на распределение ресур
сов средства между задачами (система разделения времени); а ОСРВ
ориентирована на своевременную реакцию средства на поступающие в
него внешние события, которая не должна превышать заданных значе
ний. Отсутствие реакции в заданное время считается ошибкой;
- ОС общего назначения имеет готовый набор приложений и позво
ляет пользователям решать разнообразные задачи, во многих случаях
не прибегая к конкретному программированию; а ОСРВ есть инстру
мент для создания системы реального времени, нацеленный на про
граммиста, создающего конкретную систему, знакомого с событиями,
которые могут поступить в систему, и знающего критические сроки об
служивания каждого из этих событий.
143
ОСРВ, которые не допускают отступления от заданного временного
интервала реакций на поступающие события, даже если два или более
событий происходят почти одновременно, часто носят название ОСРВ
жесткого реального времени, в отличие от ОСРВ мягкого реального
времени, для которых задержка реакции допустима, хотя она не
желательна и может привести к определенным потерям. В контроллерах,
управляющих критичными к авариям производственными процессами,
практически почти всегда надо иметь ОСРВ жесткого реального
времени.
На рынке имеется большое число специально разработанных
разнообразных ОСРВ, работающих на разных аппаратных средствах
и поэтому являющихся достаточно открытыми для применения в
контроллерах разных фирм.
ОСРВ подразделяется на систему разработки и систему исполнения.
Система разработки - набор средств для создания и отладки
приложений реального времени (компиляторы, отладчики и т. п ). Она
работает обычно под распространенными ОСобщего назначения.
Иногда ОСРВ имеют резидентные средства разработки, реализуемые
в среде самой ОСРВ. Часто средства разработки имеют элементы
удаленной отладки; эмуляции процессора, на котором будет работать
система исполнения; средства моделирования.
Система исполнения - набор средств, обеспечивающих функциони
рование приложений реального времени (ядро, драйверы, исполняемые
модули). Важной характеристикой систем исполнения является занима
емый ими объем памяти в контроллере. Для минимально необходимого
для работы системного набора ОСРВ требуется примерно несколько
десятков Кбайт памяти.
Важные для пользователей свойства ОСРВ перечислены ниже:
- очень малое время реакции системы - время от возникновения за
проса на прерывание до выполнения первой инструкции по его обра
ботке. В распространенных ОСРВ это время составляет 4-7 мкс;
- небольшое время переключения контекста - время, которое тратит
ОСРВ на передачу управления от одной задачи к другой. В распростра
ненных ОСРВ это время составляет 90-160 мкс;
- возможность исполнения ОСРВ из постоянной памяти (ПЗУ),
что позволяет создавать ОСРВ повышенной надежности, без внешних
накопителей;
- развитые средства работы с таймерами: задание и измерение раз
ных промежутков времени от 1 мкс и выше; генерация прерываний по
истечении заданных временных интервалов; создание разовых и цикли
ческих будильников; работа со сторожевыми таймерами (Watch-Dog);
144
- возможность такого планирования работы ОСРВ, при котором
четко выполняется имеющаяся система фиксированных или изменяю
щихся со временем приоритетов реализации задач; т. е. планирования,
позволяющего в заданный момент времени исполнять именно ту зада
чу, которая необходима.
В некоторыхмодификацияхмощных контроллеров используются ОС
общего назначения (в гак называемых PC-совместимых контроллерах).
Однако, следует подчеркнуть, что ОС общего назначения занимают
большую память, не обеспечивают (даже при наличии специального
ядра ОСРВ) режим жесткого реального времени и по динамике обычно
уступают специальным ОСРВ мягкого реального времени.
8.3. Характеристики блоков ввода/вывода контроллеров
Блоки ввода/вывода либо встроены в корпус контроллера, либо
частично или полностью выносятся к датчикам и исполнительным
механизмам и соединяются с контроллером полевой сетью. Расстояние
между корпусом контроллера и выносными блоками ввода/вывода может
доходить до десятков км. Ряд контроллеров могут использовать блоки
ввода/вывода посторонних производителей, если они поддерживают
одну и ту же полевую сеть. В отдельных контроллерах предусмотрена
возможность иметь связь только с частью имеющихся в блоках входных
каналов, тогда как оставшиеся входные каналы блоков подсоединены к
другим контроллерам. Число блоков ввода/вывода у одного контроллера
может доходить до 60-ти и более, а число входных/выходных каналов до 2 000 и более.
В первую очередь, важно оценивать имеющееся разнообразие
блоков ввода/вывода в части числа сигналов, опрашиваемых одним
блоком, и параметров коммутируемых ими сигналов. Ниже перечислены
существенные свойства отдельных блоков ввода/вывода:
- число входных/выходных каналов в блоке (например, от одного до
32-х каналов);
- разрядность и точность аналоговых преобразователей блока (на
пример, разрядность 12-16 бит и погрешность аналогового ввода со
ставляет менее 0,1 % от диапазона датчика);
- частота выдачи дискретных сигналов блоком (например, от 10 до
100 герц);
- варианты и параметры гальванической развязки блока: гальвани
ческая развязка блоков делается индивидуальная и/или групповая меж
ду каналами и между каналами и землей. Она имеет варианты от 500
до 2000 В;
- наличие искробезопасных блоков;
145
- оснащение блоков микроконтроллерами, реализующими вычисли
тельную обработку поступающих сигналов (линеаризацию, фильтра
цию, усреднение, термокомпенсацию холодных спаев термопар и т. д );
- возможность в блоках обнаружения обрыва и короткого замыка
ния измерительных цепей;
- наличие инициативных дискретных сигналов ввода (сообщений) с
поддержкой метки времени наносекундного разрешения.
Блоки ввода/вывода рассчитаны на типовой ряд входных аналого
вых сигналов:
- на сигналы от термопар, термометров сопротивления и тензодат
чиков: +\- 15 мВ, +\- 50 мВ, +\- 100 мВ, +\- 500 мВ, +\- 1 В;
- на типовые сигналы по току/напряжению: 0-5 ма, 0-20 ма, 4-20 ма,
+/-20 ма и +/-1 В, +/-5 В, +/-10 В;
- на входные число-импульсные сигналы;
- на различные дискретные сигналы;
- на счетчики;
- на срабатывание сухих контактов;
- на сигналы ШИМ и т. д .
Существуют универсальные блоки ввода/вывода, настраиваемые по
месту на любые входные и выходные сигналы; есть блоки ввода/вывода
с резервированием и без него. По защите от воздействий окружающей
среды имеются блоки ввода/вывода, работающие в диапазоне
температур -40-+70 С, при наличии влаги и пыли в окружающей среде
по коду IP66 (см. далее 16.2).
Некоторые контроллеры имеют специализированные блоки ввода/
вывода для отдельных классов производственных объектов: турбин,
компрессоров и т. д..
В ряде контроллеров предусмотрены блоки ввода видеосигнала.
Существуют блоки ввода/вывода, в которые встроены цифровые
индикаторы, на которых высвечивается значение вводимой в них
величины.
Замена блоков ввода/вывода происходит без выключения питания
контроллера.
При анализе предлагаемых блоков ввода/вывода контроллера
следует точно согласовывать их с имеющимся и проектируемым
набором датчиков и исполнительных механизмов автоматизируемого
производственного объекта. Так, по выходным каналам дискретных
сигналов для многих исполнительных механизмов требуется сигнал в
(2-3)а при напряжении 220В и лучше обеспечить его без добавочных
релейных преобразователей. Для объектов пожаро- и взрывоопасных
необходимо наличие искробезопасных блоков. В зависимости от
146
особенностей заземления датчиков и от наличия электромагнитных
помех может потребоваться тот или иной тип гальванической развязки.
Наконец, почти всегда важно знать метрологическую точность
преобразования измеряемых аналоговых сигналов в блоках ввода.
8.4. Характеристики открытости контроллеров
Существенно отличает контроллеры друг от друга степень
их открытости к другим программным и техническим средствам
автоматизации. Открытость контроллеров определяется наличием у них
интерфейсов к программным средствам, к типовым информационным,
промышленным и полевым сетям; а также имеющимися у них портами
последовательной связи с внешними устройствами. Чем большее
число таких интерфейсов и стандартных портов имеет контроллер, тем
более открытым он является. По степени открытости к программным
и техническим средствам разных производителей контроллеры имеют
ряд градаций:
-от контроллеров максимальной открытости, которая заключает
ся в наличии в контроллере следующих компонентов: ОРС-сервера;
встроенного WEB-сервера; GSM-связи с технологией SMS; портов по
следовательной передачи данных RS-232/422/485; интерфейса к инфор
мационной сети Ethernet; интерфейсов к ряду типовых промышленных
и полевых, проводных и беспроводных сетей (например, к проводным
сетям ProfibusDP и Profinet, Faundation Fieldbus и Faundation Fieldbus
HSE, Industrial Ethernet, ModbusRTU, HART, DeviceNet, AS-i; к беспро
водным сетям стандарта ISA 100.11а, WirelesHART). Ряд контроллеров
снабжается отдельными коммуникационными блоками или платами конверторами, которые переводят один интерфейс в другой; например,
RS-232 в RS-485.
- до контроллеров полной закрытости, когда в контроллере не пред
усмотрены связи к посторонним средствам и сетям; он рассчитан на
специфически фирменное программное обеспечение и имеет только
порт последовательной передачи информации.
Следует отметить, что сейчас идеология открытости средств
автоматизации начинает воплощаться в контроллерах еще одним
путем: реализацией глобальной беспроводной связи, позволяющей
любым пользователям (клиентам) через сеть Интернет собирать
информацию с контроллеров по Web-технологии простейшим
гипертекстовым общением При этом информация представляется в
виде отдельных документов, которые описываются с помощью языка
разметки гипертекста XML и по протоколу передачи гипертекста HTTP
пересылаются по сети Интернет. Контроллер оснащается специальным
147
Web-сервером, который запускает указанную в запросе клиента
подпрограмму, передает ей присланные в запросе параметры, реализует
выполнение подпрограммы, возвращает клиенту результаты в виде
документа. Важно подчеркнуть, что наличие такой связи позволяет
руководящему персоналу и заинтересованным сотрудникам различных
подразделений завода всегда иметь оперативную производственную
информацию в форме общепринятых документов на языке XML
непосредственно от контроллеров, минуя передаточные и переводные
устройства и независимо от места нахождения получателей информации.
С целью защиты информации в контроллерах от несанкционированных
вторжений есть контроллеры, оснащенные встроенными межсетевыми
экранами.
Для контроллеров удаленных от рабочих станций оператора
на десятки и более километров (например, установленных в
необслуживаемых труднодоступных узлах информации на газо- и
нефтескважинах) реализуется передача информации различных
классов (измеряемые данные, различные сообщения, удаленное
видеонаблюдение) через спутниковые каналы по технологии VSAT .
Технология VSAT реализуется через малогабаритный спутниковый
терминал со скоростью до 4 Мбод.
Ряд контроллеров получает сигнал точного времени от GPS
приемника и синхронизирует отметки времени на всех блоках ввода/
вывода.
8.5. Характеристики надежности контроллеров
Надежность работы контроллеров обеспечивается развитыми
средствами диагностики, применением корректирующих кодов,
наличием и разнообразными вариантами резервирования, качеством
производства самого контроллера и составляющих его компонентов.
Неисправность рабочего состояния типа «зависания» контроллера
фиксируется использованием встроенного в него сторожевого таймера
(WatchDog). В некоторых контроллерах сторожевой таймер (WatcliDog)
устанавливается и на отдельных блоках ввода/вывода.
Внутренняя диагностика производится, большей частью, с
точностью до отдельной платы и до отдельной схемы памяти.
Иногда диагностируется исправность источника бесперебойного
питания, контролируется доступ к техническим блокам контроллера.
Зачастую при обнаружении неисправности вводится запрет на выдачу
ошибочных данных или выпуск во внешнюю среду управляющего
сигнала допускается только при нормальной работе всех элементов
цепи управления.
148
Производится
контроль
передаваемой
и
обрабатываемой
информации. Для этого в контроллерах используются коды,
определяющие и корректирующие ошибки при передаче и записи
данных в память. Данные могут передаваться циклическим избыточным
кодом (Cyclic Redundancy Check) и кодом коррекции ошибок (Error
Correcting Code) , позволяющими определять ошибки передачи и в
определенных случаях ее исправлять. Применяется также контроль
четности при передаче данных.
Дублирование в виде горячего резервирования контроллеров
имеется как вариант у большинства современных контроллеров; при
этом время безударного переключения с основного на резервный
контроллер занимает примерно несколько десятков мс. Обычно
это резервирование отдельных или всех модулей контроллера.
Употребляется их дублирование или троирование, или даже работа
центрального процессора в режиме “пара и резерв”, когда пара
процессоров работает параллельно, а вторая пара находится в горячем
резерве и, если у первой пары в какой-то момент выходные сигналы
начинают несовпадать, то работа безударно переключается на вторую
пару, а первая тестируется на предмет выявления неисправности в
одном из процессоров.
Отдельно проводятся мероприятия по резервированию питания
контроллера; они заключаются в использовании, кроме основного
источника, резервного питания от другого фидера и/или резервного
питания от аккумуляторных батарей. Организуется также параллельная
работа двух контроллеров с взаимным тестированием.
Иногда по способам и полноте дублирования контроллеров
выделяют:
- резервированные контроллеры;
- контроллеры высокой готовности;
- отказоустойчивые контроллеры.
Резервированные контроллеры предусматривают:
- наличие основного и резервного контроллеров с одинаковым аппа
ратурным и программным обеспечениями;
- опрос
распределенных
блоков
ввода/вывода
основным
контроллером;
- модули синхронизации работы контроллеров, которые объединя
ются высокоскоростной магистралью;
- возможность резервирования блоков питания и коммуникацион
ных шин;
- возможность модификации в режиме online программы основного
контроллера и передачи ее в резервный контроллер.
149
Контроллеры высокой готовности добавляют к резервированным
контроллерам следующие функции:
- идентификация и компенсация неисправных элементов;
- восстановление ошибок программы без прерывания работы
контроллеров.
Отказоустойчивые контроллеры добавляют к контроллерам
высокой готовности избыточность всех элементов, включая
процессоры, блоки питания, коммуникационные интерфейсы, шины
связи с удаленными блоками ввода/вывода, программные средства.
Примером отказоустойчивого контроллера является контроллер
тройного резервирования с мажоритарным голосованием 2 из 3-х при
выполнении управляющих воздействий.
8.6. Характеристики работы контроллеров во внешней среде
Важным свойством контроллеров являются возможности их работы
в разных промышленных средах, которые существенно определяются
отраслевой принадлежностью предприятия. Обычно контроллеры
имеют варианты исполнения на разные диапазоны климатических
свойств; разные степени влажности, загрязнения, взрывоопасности и
агрессивности окружающей среды; разные уровни промышленных
помех, соответствующие определенным классам международных
стандартов защиты промышленной аппаратуры Многие характеристики
их работы в окружающей среде фиксируются не конкретными
значениями, а названиями или аббревиатурой стандартов и классами
соответствия им, рассмотренными далее в нижеследующем разделеVI.
В документации каждого контроллера указываются рабочие
диапазоны различных свойств окружающей среды и помехи, которые
компенсируются его защитой. Проверка соответствия имеющейся на
объекте внедрения промышленной среды с возможностями контроллера
работать в ней должна играть важнейшую роль при анализе рынка
контроллеров.
Ниже перечислены наименования необходимых защитных
характеристик контроллера по основным свойствам окружающей
среды, по промышленным помехам, по кибербезопасности:
- диапазон температуры окружающей среды для самого контроллера
и отдельно для имеющихся у него выносных блоков ввода/вывода; (их
температурный диапазон обычно более широкий; например от -40 до +
85 С);
- ограничения по относительной влажности воздуха при условии
отсутствия конденсата;
-допустимая вибрация в диапазоне частот примерно 10-150 гц и/
150
или 10-500 гц (например, с ускорением до 5 g);
- защита от одиночных ударов (например, до пиковых ускорений
порядка 50 g);
- защита от пыли и влаги в окружающей среде, которая определяет
ся конструкцией корпуса контроллера;
- защита от химически активных газов в промышленной среде;
- защита от взрывоопасной среды;
- защита от электромагнитных помех;
- защита от колебаний напряжения и частоты питания переменным
током;
- защита информации в контроллере от несанкционированного
доступа.
Глава 9. Программное обеспечение промышленных
контроллеров
Практически во всех современных контроллерах основное
программирование функций контроля и управления ведется на
специализированных, так называемых, технологических языках.
Однако существенным являются ниже перечисленные отличия в
инструментальных средствах программирования, которые сказываются
на простоте и скорости разработки и тестирования программ, на
использовании в них эффективных типовых алгоритмов, на возможности
переноса разработанных программ на другие технические средства.
Применяемые технологические языки и способы реализации
программ, как в отдельных, так и в нескольких алгоритмически
взаимосвязанных контроллерах можно подразделить на два класса:
- специализированные языки и способы программирования для
определенной серии (класса) контроллеров, разработанные производи
телем этих контроллеров,
- типовые (стандартные) языки и способы программирования, ис
пользуемые в контроллерах различных производителей.
Важным для эффективной реализации задач контроля и управления
является также объем прилагаемой к языкам программирования
библиотеки типовых программных функциональных блоков (модулей)
и инструкций.
9.1, Стандарты среды программирования контроллеров
9.1.1. Стандарт МЭК 61131-3
Стандарт технологических языков программирования контроллера
МЭК 61131-3 определяет структуру пяти технологических языков, их
151
синтаксис и семантику:
- LD (Ladder Diagram) - графический язык лестничных диаграмм,
являющийся вариантом традиционного языка релейно-контактных
схем. Он является программной реализацией электрических схем на
базе электромагнитных реле и описывает блокировки механизмов, их
взаимозависимый пуск и останов. Программа работает аналогично
логике работы релейной схемы, с включенными в нее элементами за
паздывания, счетчиками, таймерами. Язык ориентирован на работу с
битовыми переменными и ограничен по сложности программируемого
алгоритма. Преобладающие задачи использования языка - управление
взаимосвязанной группой механизмов;
- FBD (Function Block Diagram) - графический язык функцио
нальных блоковых диаграмм, соединяющий отдельные программные
функциональные блоки (модули) между собою из имеющегося набо
ра (библиотеки) этих блоков. Функциональный блок является опреде
ленной подпрограммой. Каждый функциональный блок имеет входы и
выходы. Программа создается путем соединения множества функцио
нальных блоков. По форме он близок языку LD, но вместо логическо
го соединения отдельных программных модулей типа реле, формирует
логические связи между программными функциональными блоками.
Сами функциональные блоки являются не просто частью языка FBD,
они применяются также для моделирования и проектирования систем
автоматизации; они также могут быть использованы для поддержания
всего жизненного цикла системы автоматизации, включая ее проек
тирование, изготовление, функционирование, валидацию и обслужи
вание. Язык FBD работает как с дискретными, так и с аналоговыми
переменными;
- SFC (Sequential Function Chart) - графический высокоуровне
вый язык последовательных функциональных блоков, реализую
щий алгоритмы последовательного управления в виде набора пар:
шаг - переход. Шаг является заданной группой операций над данными,
а переход определяет логические условия передачи управления следу
ющей паре шага-перехода или нескольким парам путем распаралле
ливания алгоритма. Реализация последовательных шагов и переходов
между ними близка построению сетей Петри;
- ST (Structured Text) - текстовый язык общего назначения, который
по синтаксису близок языку Pascal. Он поддерживает структурное про
граммирование и используется совместно с языком SFC;
- IL (Instruction List) - текстовый язык инструкций низкого уровня
типа Ассемблера, но без ориентации на конкретную микропроцессор
ную архитектуру. Он также используется совместно с языком SFC.
152
Два стандартизированных языка: LD и FBD являются основными
(принципиально они соответствуют специализированным языкам типа
релейно-контактных схем и графических конфигураторов), а остальные
языки служат дополнениями к ним.
Третья редакция стандарта вышла в 2016 г.
Следует отметить особенности применения стандарта в практиче
ских реализациях программирования контроллеров:
- программирование конкретного класса контроллеров может ре
ализовываться как только на языках стандарта МЭК 61131-3, так
и частично (по отдельным задачам) на языках этого стандарта, а ча
стично (по другим задачам) на любых других языках по выбору
разработчика-программиста;
- конкретные системы технологических языков программирования
контроллеров, построенные по стандарту МЭК 61131-3, могут, кроме
стандартных, содержать и некоторые другие языки, выходящие за рам
ки стандарта;
- любой специальный набор технологических языков, разработан
ный производителем определенных контроллеров и используемый для
программирования только этих контроллеров, может содержать отдель
ные языки стандарта МЭК 61131-3;
- стандарт МЭК 61131-3 не касается привязки программ к опреде
ленным интерфейсам, которые сопутствуют большинству реализован
ных программ контроля и управления в контроллерах;
- стандарт не рассматривает реализацию алгоритмов в ряде вза
имосвязанных сетями контроллеров или в ряде любых других техни
ческих средств. Стандарт относится к программированию отдельного
контроллера.
Системы программирования, основанные на стандарте МЭК 611313, характеризуются следующими показателями:
- надежностью создаваемого программного обеспечения, ко
торая обеспечивается специально используемой средой разработки,
включающей необходимые средства для написания, тестирования и от
ладки программ с помощью эмуляторов и реальных контроллеров;
- возможностью простой модификации программы и наращива
ния ее функциональности;
- переносимостью разработанных программ с одного контрол
лера на другой;
- возможностью многократного использования разработанных
программ;
- простотой языка программирования.
153
9.1.2. Стандарты МЭК 61499 и МЭК 61804
Описанию и применению функциональных блоков посвящены, по
мимо стандарта МЭК 61131-3, еще и стандарты МЭК 61499 и МЭК
61804.
Стандарт МЭК 61499, состоящий из четырех частей, был
опубликован в 2005 г. Он формирует методику программирования
распределенных технических средств (в частности, контроллеров),
определяет требования к созданию программ, которые реализуют
отдельные части алгоритма в различных, связанных цифровыми сетями
технических средствах (в распределенных системах управления).
В нем устанавливается обобщенная архитектура функциональных
блоков и предоставляется руководство для их применения в
распределенных системах промышленной автоматизации. В таких
системах программное обеспечение распределено между несколькими
контроллерами и несколькими функциональными блоками, а
промышленная сеть рассматривается как составная часть системы
автоматизации.
Особенностью функциональных блоков в МЭК 61499 является
возможность управления событиями и большая степень обобщения
функциональных блоков. Стандарт МЭК 61499 может использоваться
совместно с МЭК 61131-3 как средство описания базовых типов
функциональных блоков для программирования контроллеров.
Одной из существенных особенностей стандарта МЭК 61499
является ориентация на системы автоматизации, в которых
функциональные блоки управляются событиями, в то время как обычно
системы автоматизации строятся на базе управления по временному
расписанию. Управление событиями в распределенных АСУТП
является более общим. Любая система с управлением по временному
расписанию может быть представлена в виде системы с управлением
событиями, но обратное представление не всегда возможно.
Стандарт базируется на технологии программирования стандарта
МЭК 61131-3, распространяя выполнение отдельных, взаимосвязанных,
программных функциональных блоков, преимущественно (но не
обязательно) созданных по стандарту МЭК 61131-3, в различные
контроллеры или другие средства и описывая их сетевые связи. Он
определяет требования к разработке и реализации функциональных
блоков в различных средствах и их интеграции в единый алгоритм
через сетевые связи средств. Стандарт фиксирует следующие правила
формирования функциональных блоков и построения из них программ:
- описание функциональных блоков;
- выполнение событий в функциональных блоках;
154
- использование функциональных блоков в распределенной системе
технических средств;
- взаимодействие функциональных блоков через сетевую структуру,
объединяющую технические средства.
В стандарте МЭК 61131-3 функциональный блок задается
входными переменными, выполняемым над ними алгоритмом и
полученными выходными переменными. Кроме имеющегося набора
типовых функциональных блоков каждый разработчик может
создать свой функциональный блок на одном из языков стандарта
МЭК 1131-3. В стандарте МЭК 61499, в отличие от стандарта МЭК
61131-3, функциональный блок принимает и генерирует события.
В нем функциональный блок задается входными и выходными
переменными, входными и выходными событиями, алгоритмом работы
блока, диаграммой управления выполнением алгоритма (последняя
задает реакции блока на поступившие входные события и указывает
генерируемые блоком выходные события). Алгоритм работы блока
записывается на одном из языков стандарта МЭК 61131-3. Диаграммы
управления удобно составлять на языке SFC - графическом языке
последовательных функциональных блоков.
Процесс выполнения функционального блока в стандарте
МЭК 61499 происходит в соответствии с диаграммой управления
выполнением алгоритма. Вначале выполняется проверка появления
события, затем реализуется алгоритм работы блока и в заключении
производится генерация выходного события (если оно предусмотрено
в диаграмме).
Стандарт МЭК 61499 определяет 18 типов функциональных
блоков. Все описания функциональных блоков по стандарту МЭК
61499 кодируются и сохраняются в типовом формате XML, что
позволяет описать любой тип данных в текстовом виде для хранения,
транспортировки, передачи другим средствам, где они будут одинаково
интерпретированы.
Третьим
стандартом,
развивающим
представление
о
функциональных блоках, является стандарт МЭК 61804 . Он содержит
спецификацию (детализацию) требований к распределенным системам
управления, построенным на основе функциональных блоков. МЭК
61804 конкретизирует абстрактные определения, данные в стандарте
МЭК 61499. Он добавляет в МЭК 61499 описания параметров и
функций, выполняемых функциональными блоками, которые могут
быть реализованы в технических средствах. Стандарт определяет
минимальный набор функциональных блоков, который необходим
для промышленных приложений. Набор состоит из двух частей:
155
сложные функциональные блоки (ПИД-регулятор, селектор для схем
голосования, сумматор, таймер, интегратор) и простые функциональные
блоки (тригонометрические функции, суммирование, усреднение,
арифметические операции, булевы функции и т. п ).
9.2. Конкретные реализации среды программирования
контроллеров
Программирование контроллеров на описанных выше в
стандарте МЭК 61131-3 технологических языках реализуется
средой программирования, которое разрабатывается фирмами,
специализирующимися на создании программного обеспечения для
систем автоматизации. Под средой программирования понимается
среда разработки программ, которая предполагает использование
определенных языков программирования. Среда программирования
состоит из редактора, в котором записывается текст программы;
компилятора, который транслирует текст программы в машинный код;
отладчика, который тестирует разработанную программу.
Практически в большинстве контроллеров любых производителей
используются среды программирования CODESYS фирмы 3S-Smart
Software Solutions или ISaGRAF фирмы ICS Triplex, реализующие
технологические языки по приведенным выше стандартам.
Учитывая повсеместное распространение этих продуктов, в качестве
исключения, хотя в книге не рассматриваются разработки средств
и систем автоматизации определенных фирм (см. предисловие),
здесь целесообразно привести описания основных свойств сред
программирования, разработанных этими фирмами.
9.2.1. Среда программирования CODESYS
CoDeSys
(Controller Development System) представляет собой
комплекс программ для проектирования прикладного программно
го обеспечения, отладки в режиме эмуляции и загрузки программы в
контроллер. Основными частями комплекса являются среда разработки
программы и среда ее исполнения, которая находится в контроллере.
Среда разработки программы CoDeSys работает на персональном
компьютере (может быть реализована и на контроллере, если у него
достаточный объем памяти). Она содержит инструментальную отладку
программ, конфигураторы, редакторы, и прочие средства; поддержива
ет типовые промышленные сети.
Программируемое техническое средство соединяется с компьюте
ром, на котором находится среда разработки CoDeSys, через вспомо
гательный программный компонент - шлюз связи, который использует
156
протокол TCP/IP.
Для того, чтобы контроллер можно было программировать с помо
щью CoDeSys, в нем должна быть установлена система исполнения.
Ее установку выполняет изготовитель контроллера, а проектант может
сосредоточиться на разработке только прикладной программы.
В контроллере устанавливается система исполнения, которая функ
ционирует под любой операционной системой или вообще без нее, и
организует работу контроллера: функционирование программ контроля
и управления, опрос блоков ввода/вывода, хранение данных, сетевой
обмен ит. д.. Собственное ядро реального времени может устанавли
вать контроллерный цикл с точностью до нескольких микросекунд.
Прикладная программа остается работоспособной даже при зависании
операционной системы.
В комплекс CoDeSys входят редакторы для всех пяти языков стан
дарта МЭК 61 131-3. Кроме того, в среде CoDeSys 2.3.9 для непрерывных
технологических процессов предлагается развитие языка FBD языком
CFC (Continuous Function Chart), который в качестве функциональных
блоков имеет не только математические операции, но и сложные ал
горитмы контроля и управления технологическими узлами (например,
насосами, транспортерами и т. п ). Комплекс полностью реализует тре
бования стандарта и дополнительно вводит ряд расширений, в том чис
ле объектно-ориентированное программирование. В версии CoDeSysV3
объекты (любые программные модули) взаимодействуют друг с другом
путем передачи сообщений - запросов на выполнение определенных
действий с передачей исходных данных для реализации этих действий.
При этом можно подключать к программным функциональным блокам
собственные независимо компилируемые программные модули типа
логики, математических операций, счетчиков, таймеров и т. д..
В одном проекте может быть использовано несколько контроллеров
разных производителей. Каждый из них может программироваться как
независимое устройство или с учетом их взаимодействия в промыш
ленной сети. Разработанные программы компилируются в машинный
код и загружаются в контроллер; при этом микропроцессор контрол
лера может иметь от 16 до 64 разрядов. Компилятор выдает диагно
стические сообщения, как на этапе компиляции, так и на этапе ввода
операторов языка.
После загрузки машинного кода в контроллер разработчик имеет
возможность использовать широкий набор функций для быстрой и эф
фективной отладки приложения. При отсутствии реального контрол
лера отладку программы можно выполнять с помощью встроенного
157
программного эмулятора. При изменении программы во время отладки
перекомпилируются только измененные части программы. Их можно
подгружать в контроллер без остановки выполнения прикладной про
граммы. Эта возможность системы называется “горячим обновлением”
кода.
Пользователь комплекса может самостоятельно расширять
возможность CoDeSys путем создания библиотек программных
модулей. Например, он может реализовать поддержку нестандартных
интерфейсов.
Комплекс CoDeSys содержит значительное число вариантов и
отдельных программных модулей, нацеленных на различные классы
контроллеров и различные реализуемые в них функции:
- CoDeSys Redundancy - среда программирования и набор про
граммных модулей, выполняющих синхронизацию, диагностику, пере
ключение основного и дублирующего контроллеров;
- CoDeSys Safety - среда программирования и система исполнения
для контроллера системы ПАЗ, работающего по стандарту ТЕС 61508
, уровень- SIL 3. Имеется библиотека функциональных блоков PLCopen Safety, система исполнения для оборудования с дублированием
и специализированное расширение среды программирования.
Обеспечивает безопасный компилятор и безопасную систему
исполнения. Содержит методику тестирования и сертификации. При
внезапном отключении питания CoDeSys автоматически сохраняет
значения переменных во флеш-памяти или в ОЗУ с батарейным
питанием. Загрузочный код вводится в контроллер, затем скачивается
обратно, декомпилируется и сравнивается с исходным текстом;
- CoDeSys Professional Developer Edition - среда программирова
ния для совместного создания крупных проектов рядом исполнителей.
Реализовано управление версиями проектов и графических редакторов;
- CoDeSys Application Composer - вариант языка для программиро
вания ряда однотипных проектов на основе подготовленных программ
ных модулей. Проекты собираются из набора таких модулей на языках
IEC 61131.3, которые автоматически компилируются в контроллеры;
- CoDeSys HMI - отдельный раздел языка, реализующий графи
ческий интерфейс с операторами на нескольких рабочих станциях (в
упрошенном варианте работы операторов без связи с базой данных, без
ведения архива, без использования типового интерфейса ОРС), что по
зволяет обеспечить управление малыми производственными компонен
тами типа кранов, погрузчиков и т. п. объектов. Имеется встроенный
программный инструментарий визуализации для оператора, которым
158
можно реализовать тренды, графики, таблицы и другие изображения
данных;
- CoDeSysTargetVesu - самостоятельный компонент языка для си
стемы исполнения панельного контроллера;
- CoDeSysSPRTE - система исполнения с собственным ядром жест
кой операционной системы реального времени под общей операцион
ной системой Windows, гарантирующим время реакции на сообщение в
микросекундном диапазоне.
9.2.2. Среда программирования ISaGRAF
Комплекс ISaGRAF поддерживает все пять языков МЭК 61131-3 и
использует стандарт МЭК 61499 для программирования распределенных
систем управления. Он также состоит из среды разработки и среды
исполнения.
Среда разработки (все пять языков МЭК 61131-3 и функциональные
блоки МЭК 61499) имеет средства для редактирования, компиляции,
документирования,
управления
библиотеками,
архивирования,
моделирования системы при отсутствии реального контроллера и
отладки с подключенным контроллером. У нее знакомый по Win
dows-приложениям интерфейс с подсказками, панелями инструментов,
окнами, с функциями вставки и замены и т. п.. Среда разработки может
также транслировать пользовательскую программу, написанную на
языках стандартов МЭК, в текст на языке Си.
Среда исполнения может функционировать практически на любой
операционной системе и любой аппаратной платформе, включая
персональный компьютер, если на них предварительно установлена
среда исполнения. Она создается и загружается в контроллер
производителем контроллера и является независимой от исполняемой в
ней программы пользователя.
При компиляции программы генерируется машино-независимый
код, который загружается в контроллер, снабженный интерпретатором
этого кода. ISaGRAF позволяет провести симуляцию разработанной
программы в режиме off-line, тестирование и отладку программы, а
затем мониторинг ее реализации в контроллере.
Комплекс ISaGRAF содержит ряд вариантов и отдельных
программных модулей, нацеленных на различные классы систем,
контроллеров и разные реализуемые в них функции:
-в ISaGRAF, кроме пяти языков стандарта МЭК 61131.3 включены
языки Flowchart, ANCIC, потоковая диаграмма, блок-схема;
- ISaGRAF реализует исполнительную систему ведения архи
вов ISaArchTarget.OHa сохраняет данные в памяти контроллера, а
159
ISaArchServer собирает данные от отдельных контроллеров в общую
базу данных системы управления;
- на базе языка ISaGRAF разработана платформа FlexiSafe для си
стем ПАЗ SIL (уровень) 3, которая соответствует стандартам по безо
пасности МЭК 61508 ;
- в варианте системы ISaGRAF 5, объединяющего стандарты МЭК
61131.3 и МЭК 61499, проведена поддержка функциональных блоков,
разработанных по стандарту МЭК 61499 и реализована возможность
создавать прикладное программное обеспечение для распределенных
систем управления с автоматическим регулированием итераций между
средствами и синхронизацией работы средств. В многозадачной распре
деленной системе ISaGRAF может иметь несколько сред исполнения
с различными циклами опроса; при этом данными в распределенной
системе обмениваются контроллеры и тогда, когда они работают под
разными операционными системами;
- в варианте системы ISaGRAF 6 переработана среда разработ
ки. Она поддерживает еще язык SAMA (Scientific Apparatus MakersManufactures Association) - язык специального вида функциональных
диаграмм управления, реализованный на базе технологического языка
FBD, который имеет новые наборы функциональных блоков, в том чис
ле блок человеко-машинного интерфейса.
9.3. Библиотека типовых программных модулей контроллеров
Состав библиотеки типовых программных модулей, закладываемых
производителем в контроллер (вне зависимости от использования в
нем технологических языков стандарта МЭК 61131-3) значительно
различается у разных контроллеров. В универсальных больших
контроллерах библиотека состоит примерно из следующего набора:
- основные логические операции исчисления высказываний и пре
дикатов. В частности: отрицание «не», конъюнкция «и», дизъюнкция
«или», импликация «если, то»; а также необходимые для управления
группой механизмов временные задержки, таймеры, счетчики, генера
торы, шаговые программы;
- основные математические операции. В частности: сложение, вы
читание, умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня,
разные виды интер- и экстраполяции и аппроксимации последователь
ных во времени значений измеряемых величин;
- основные операции первичной обработки измеряемых величин:
сравнение измеренного значения с заданными нормативами (кон
троль границ), масштабирование, фильтрация величины, усредне
ние значения величины за заданное время и скользящее усреднение,
160
экспоненциальное сглаживание, интегрирование (суммирование) вели
чины за заданное время, компенсация холодного спая термопары и т.п.;
- основные операции статистической обработки измеряемых ве
личин и вычисляемых показателей. В частности, вычисление средней
квадратичной погрешности определения величины, расчет автокорре
ляционной функции и взаимных корреляционных функций случайных
процессов, которыми являются временные гренды измеряемых вели
чин, вычисление функции распределения случайного процесса - тренда
измеряемой величины;
- основные операции расчета ключевых, технико-экономических
показателей работы технологических агрегатов. В частности, расчет
сменных и суточных показателей: производительности, удельных рас
ходов отдельных энергоресурсов, времени работы агрегата в различных
режимах;
- основные операции регулирования технологических агрегатов:
алгоритмы двухпозиционного управления; П, И, ПИ, ПИД регулято
ров и каскадных ПИД регуляторов; самонастройки ПИД-регуляторов,
адаптивных ПИД-регуляторов и др.;
-основные формулы вычисления по стандартам ГОСТ 8.586-2005,
ГОСТ Р 52649-2000 по приведению к нормальным условиям расходов
газа и жидкости, и учета теплоэнергии в протекающих по трубам газах
и жидкостей;
- отчеты, протоколы, документы типовых форм по измеряемым и
вычисляемым данным и их архивирование.
161
Раздел IV.
Средства автоматизации информационного уровня
(SCADA-программы)
Общие положения
Рабочие станции операторов технологических агрегатов реализуют
человеко-машинный интерфейс операторов с автоматическими
средствами контроля и управления этих агрегатов. Через них операторы
получают от средств автоматизации информацию о текущем режиме
технологического процесса, о состоянии оборудования агрегата и
средств его автоматизации, о производительности агрегата, о качестве
выпускаемой им продукции, об энергопотреблении и т. д.. Через
рабочие станции операторы пересылают управляющие воздействия
на отдельные средства автоматизации, изменяющие режим работы
агрегата.
Прикладное
программное
обеспечение
рабочих
станций
операторов и поддерживающих их серверов, реализующее указанные
функции системы автоматизации производственного объекта любого
типа, получило в литературе наименование «SCADA-программа»
(аббревиатура «SCADA» означает «Supervisory Control and Data Acqui
sition» - «сбор данных, наблюдение и управление»).
Последние
десятилетия под влиянием заказчиков
SCA
DA-программы выделились в самостоятельный программный продукт
(ранее для каждого комплекса автоматизации разрабатывалась своя
закрытая SCADA-программа, работающая только с заданным набором
технических средств). SCADA-программы, предназначенные для
применения в разных программно-технических средах, являются
открытыми SCADA-программами.
С середины 80-х годов ряд фирм-разработчиков программных систем
приступили к разработке и выпуску универсальных и открытых SCADA-программ, предназначенных не для конкретной системы контроля
и управления, но для применения в разных программно-технических
и сетевых средах. В настоящее время открытость SCADA-программ
обеспечивается наличием ряда их свойств:
• возможности их использования в технических средствахс распро
страненными для систем автоматизации операционными системами;
• применением стандартного интерфейса ОРС: ОРС-клиента для
связи с контроллерами и получения данных от различных программных
приложений, ОРС-сервера для выдачи информации другим программ
ным средствам;
162
• использования ряда распространенных типовых протоколов, ин
терфейсов и драйверов, позволяющих использовать SCADA-программу
с различными классами промышленных контроллеров, программных
пакетов, СУБД и сетей передачи данных;
• включения в SCADA-программу средств разработки новых (не
предусмотренных разработчиком) драйверов для различных техниче
ских средств автоматизации;
• возможности расширять заложенные разработчиком функции
SCADA-программы, в соответствии с техническими заданиями на кон
кретные проекты, путем подключения к ней программ пользователя.
Специализация фирм-разработчиков SCADA-программ позволяет
им обеспечить высокий уровень программного продукта, повсемест
ное использование принципов открытости делает SCADA-программы
функционально гибкими и непрерывно расширяет возможности их
применения и упрощает их конкретизацию под заданную систему
автоматизации.
Потребность в анализе рынка SCADA-программ диктуется рядом
причин, в том числе:
• большим числом и разнообразием конкурирующих открытых
SCADA-программ;
• проблемами отбора SCADA-программы для качественной, эконо
мичной, достаточно комфортной для проектанта разработки приклад
ного программного обеспечения средств верхнего уровня АСУТП, а
также для ее надежной эксплуатации и простотой модернизации;
• заинтересованностью в объективной сопоставительной информа
ции о распространяемых SCADA-программах со стороны как фирм разработчиков систем автоматизации производства, так и предприятий,
эксплуатирующих и реконструирующих автоматизированные системы
управления технологическими процессами.
Каждая SCADA-программа содержит в своем составе, явно или
неявно, две базовые подсистемы:
- инструментальный комплекс (система разработки) - среда разра
ботки прикладного программного обеспечения, действующего в соста
ве операторских станций и поддерживающих их серверов;
- исполнительский комплекс (система исполнения) - среда рабо
ты операторских станций и поддерживающих их серверов в реальном
времени.
Инструментальный комплекс применяется при разработке программ
операторских станций. Каждый экземпляр инструментального
163
комплекса может многократно использоваться для разработки
операторских станций в разных проектах. Он применяется также
персоналом, эксплуатирующим SCADA-программы, для коррекций и
модернизаций программного обеспечения рабочих станций оператора.
Исполнительский комплекс реализует, как правило, работу
прикладного программного обеспечения отдельной станции оператора.
Инструментальный комплекс технически, обычно, также может
поддерживать работу операторской станции в реальном времени и может
быть применен в качестве исполнительского на одном компьютере. В
некоторых SCADA-программах инструментальный и исполнительный
комплексы не разделены и представляют собой единое целое.
В данном разделе рассматриваются с позиций пользователей
свойства и характеристики SCADA-программ.
Глава 10. Свойства SCADA программ
10.1. Структуры SCADA-программ
Ниже приводятся те структурные особенности отдельных SCA
DA-программ, которые отличают их друг от друга и которые должны
быть учтены при их анализе заказчиком, поскольку являются
основополагающими при выборе для конкретного использования.
SCADA-программы обычно имеют 32-х разрядную арифметику и
большей частью работают в клиент-серверной сетевой архитектуре.
Контроллеры по промышленной сети связаны с серверами, а клиенты
(рабочие станции операторов) взаимодействуют по информационной
сети с серверами. Такая архитектура для малых систем может быть
локальной, тогда и сервер, и клиент размещаются на одном компьютере
рабочей станции оператора; а для больших систем - распределенной,
тогдаклиентыисерверыраспределеныпоразнымузлам информационной
сети. Обычно, в больших системах при наличии многих серверов
каждый клиент может информационно взаимодействовать с рядом
серверов. При этом возможны два варианта связи серверов с клиентами:
либо каждый клиент связан с определенной группой серверов, либо
любой клиент может общаться с любым сервером (мультиклиент).
Максимальное число серверов в каждой данной SCADA-программе
и число связанных с каждым сервером рабочих станций обычно либо
жестко фиксировано, либо указано неограниченным.
Существует вариант реализации клиент-серверной структуры
средствами Интернет. В качестве web-клиентских станций (тонких
клиентов) могут быть применены удаленные рабочие станции и
переносные компьютеры со стандартным интернет-браузером.
164
Как вариант, используется распределенная клиент-серверная
структура, когда сами серверы и рабочие станции операторов (ане только
средства полевого и промышленного уровней АСУТП) распределены
по производству.
Широко используется резервирование серверов и информационной
сети, объединяющей серверы и рабочие станции. Рабочие станции
могут взаимно резервировать друг друга.
10.2. Функции SCADA-программ
Ниже приведен основной типовой набор функций, обеспечиваемый
практически любой SCADA-программой:
- сбор текущей технологической информации от контроллеров и/
или других приборов и технических средств, связанных непосредствен
но или через сервер с рабочей станцией оператора;
- вычислительная и логическая обработка получаемой информации,
реализуемая в сервере или в станции оператора;
- расчет ключевых контрольных и учетных показателей работы
агрегата, сопоставление текущих ключевых сменных и суточных по
казателей работы с аналогичными показателями за заданные прошлые
интервалы времени и сравнение основных учетных показателей с пла
новыми: фиксация «план-факт»;
- представление и печать сменных, суточных и месячных сводок,
отчетов, рапортов о работе агрегата и протоколов в задаваемых пользо
вателем формах по времени, по наступлению определенных событий,
по запросу оператора;
- обработка сообщений, сигналов о нарушениях и тревогах.
Классификация их по отношению к режиму работы агрегата, к рабо
те отдельных единиц оборудования, к качеству входных и выходных
материальных потоков, Распределение их по приоритетам важности и
необходимой скорости реагирования;
- регистрация нарушений, тревог и аварийных ситуаций, моментов
их возникновения и вывод сообщений о них на экран монитора рабочей
станции и/или на внешние устройства;
- фиксация времени простоя отдельных единиц оборудования, клас
сификация и причины простоя;
- автоматический вывод нарушений и тревог на пейджеры и удален
ные рабочие станции в виде сигналов и речевых сообщений;
- реализация на экране монитора рабочей станции векторной графи
ки с любыми динамизируемыми элементами и создание изображений с
возможностями мультимедиа;
- формирование широкого набора трендов и графиков зависимостей
165
одной измеряемой величины от другой с возможностями их модифика
ций и изменениями масштаба оператором в реальном времени;
- использование встроенного языка программирования: типового
или оригинального;
- организация шаблонов документов, в которых наименования
измеряемых и вычисляемых величин и время их фиксация задается
оператором;
-реализация связи с средствами автоматизации через Интернет
(WEB- браузер);
- архивация текущей информации, ее переработка и хранение в за
данных форматах в течение заданных интервалов времени;
- совместное представление текущей и исторической (архивной)
информации на экране монитора рабочей станции (в формах цифровых
и текстовых сообщений, мнемосхем, гистограмм, диаграмм, анимаци
онных изображений, таблиц, трендов, аварийных сигналов и т. д );
- импорт различных графических изображений из ряда графиче
ских редакторов;
- импорт и экспорт растровых изображений в ряде типовых
форматов;
- сохранение и тиражирование созданных программных модулей и
экранных образов;
- ввод команд и сообщений оператора, их отработка и/или передача
в контроллеры и другие устройства;
- подключение и организация взаимодействия прикладных про
грамм с измеряемыми величинами и командами оператора;
- информационные сетевые взаимодействия между рабочей станци
ей оператора, средствами ПТК и внешними средствами и системами.
Для эффективного безошибочного внедрения SCADA-программ
в них заложены специальные средства тестирования разработанных
программ рабочих станций операторов с возможностью эмуляции
конкретного объекта и средств автоматизации.
Кроме перечисленных типовых функций SCADA-программы,
которые с тем или иным качеством реализуются во всех SCADA-программах,
отдельные
SCADA-программы
предлагают
заказчикам дополнительные программные модули, выходящие за рамки
типовых. Далеко не все предлагаемые дополнительные модули имеют
важное значение для большинства заказчиков, но некоторые из них,
находящиеся в разных SCADA-программах, представляют достаточно
широкий интерес:
- вывод на экран монитора телевизионных изображений и видеоза
пись текущего состояния наблюдаемого объекта;
166
- вывод на экран монитора мест загазованности с привязкой к карте
местности или генплан)' предприятия;
- метрологическая поверка каналов передачи данных;
- статистический анализ совокупности взаимосвязанных измеряе
мых величин.
В SCADA-программах предусматривается защита используемых
измеряемых, вычисляемых и сохраняемых в архивах данных; а также
используется управление доступом к данным: предусматривается
идентификация пользователей и возможность разграничения доступа
определенных групп пользователей к отдельным данным и реализуемым
SCADA-программами функциям.
10.3. Состав SCADA-программ
Поскольку каждая SCADA-программа имеет (явно или неявно)
инструментальный комплекс (систему разработки) и исполнительский
комплекс (систему реализации программы), то это требует их отдельного
рассмотрения.
10.3.1. Особенности инструментальных комплексов
SCADA-программ
Общим
для
инструментальных
комплексов
разных
SCADA-программ является то, что в своей основе они являются
графическими конфигураторами, собирающими конкретные программы
из имеющихся у них заготовок. Ввиду этого проектирование всех
типовых процедур конкретного исполнительного комплекса может, в
подавляющем большинстве случаев, производиться специалистом по
автоматике без участия программистов.
При построении конкретных экземпляров SCADA-программ в
качестве базовых, подлежащих настройке и динамизации имеющихся
заготовок используются:
- совокупности графических примитивов, разнообразных элемен
тов отображения промышленных объектов и их отдельных узлов;
- наборы различных типов зависимостей измеряемых и вычисляе
мых величин друг от друга и от времени;
- библиотеки типовых программных модулей контроля и управления.
Чем
больше
в
инструментальном
комплексе
данной
SCADA-программы объем этих совокупностей, наборов и библиотек;
чем шире и разнообразнее объем этих примитивов, элементов,
программных модулей охватывает реальные требования, предъявляемые
к исполнительному комплексу конкретной SCADA-программы, тем
проще использование инструментального комплекса, тем конкретнее
и глубже фиксируются с его помощью реальные ситуации в
167
контролируемом объекте.
Инструментальные комплексы имеют следующие варианты
исполнения:
- общий конфигуратор для создания и редактирования исполнитель
ного программного обеспечения;
- разделение инструментального комплекса на блоки в соответствии
с объектно-модульной структурой данной SCADA-программы;
- клиент-серверная структура самого инструментального комплек
са, позволяющая производить одновременную, многопользовательскую
разработку проекта.
Многие инструментальные комплексы используют объектноориентированный подход к проектированию исполнительского
комплекса, который базируется на использовании различных готовых
шаблонов типовых промышленных объектов. Под ними понимаются
готовые шаблоны элементов автоматизации с их всевозможными
атрибутами: входами и выходами, параметрами настройки, алгоритмами
работы, характером поведения, возможными нарушениями, видами
их изображения на экране монитора, отчетами о функционировании
и т. п.. Возможно использование иерархии подобных объектов. В
универсальных SCADA-программах имеются библиотеки типовых
промышленных объектов разных отраслей промышленности с
имеющимися у них атрибутами. Наличие объектно-ориентированного
проектирования значительно упрощает и ускоряет создание
исполнительского комплекса. Проводится наследование объектов
для их копирования и тиражирования в разных АСУТП. Возможна
параллельная разработка одного проекта рядом проектировщиков.
Важным отличием инструментальных комплексов друг от друга
является разнообразие имеющихся у них специальных тестирующих
программ, проверяющих правильность созданного программного
обеспечения. От состава этих программ, от близости тестов в них к
реальной работе исполнительного комплекса, от полноты и точности
проверки проекта, которую они обеспечивают, зависит безошибочность
разработанного комплекта SCADA-программы.
10.3.2. Особенности исполнительских комплексов
SCADA-программ
Почти
все
исполнительные
комплексы
SCADA-программ
построены по модульному принципу. Комплексы отдельных SCA
DA-программ имеют структуру типа ядра с привлекаемыми
периферийными модулями. Некоторые исполнительные комплексы
SCADA-программ подразделяются на отдельные программные модули,
168
каждый из которых выполняет свой набор функций. Эти модули
могут работать как отдельно, так и во взаимосвязи друг с другом.
Иногда это взаимодействие реализуется через специальное ядро SCADA-программы, но чаше модули взаимодействуют непосредственно,
используя типовую технологию COM/DCOM и объекты ActiveX (они
рассмотрены в следующей главе).
К примеру возможен нижеследующий набор модулей:
- графический векторный редактор с библиотеками графических
примитивов и динамизируемыми изображениями типовых производ
ственных объектов;
- серверная станция с СУБД реального времени и архивом;
- модуль обработки событий и тревог;
- генератор отчетов;
- модуль конфигурирования и реализации трендов;
- модуль математических и логических операций (конфигуратор с
библиотекой типовых программных модулей контроля и управления);
- модуль статистической обработки данных;
- модуль взаимосвязи в реальном времени между клиентом и
сервером;
- модуль обмена данными с приложениями и другими системами;
-ит. д..
Подавляющее
большинство
SCADA-программ
выпускает
исполнительные комплексы в виде отдельных вариантов разных
классов:
- масштабные варианты исполнительных комплексов, рассчитан
ные на разное число входов/выходов. Число таких вариантов у разных
SCADA-программ лежит в диапазоне от 3 до 10 и их масштабные раз
личия находятся в пределах от нескольких десятков входов/выходов
(при одномашинном варианте) до неограниченного числа входов/выхо
дов (например, перечень вариантов: 50, 75, 150, 300, 700, 1500, 35000,
любое число входов/выходов). При этом функциональный состав по
добных вариантов примерно одинаков;
- масштабные варианты серверов исполнительных комплексов, за
трагивающих не комплексы в целом, а только их серверы, и рассчитан
ные на разное число подключаемых к серверам входов/выходов. При
этом клиентские станции работают без ограничений на число входов/
выходов;
- функциональные варианты исполнительных комплексов, рассчи
танные на разное число реализуемых функций от достаточно ограни
ченного набора функций (например, только мониторинг процесса) до
полного набора, обеспечивающего все потребности оператора. Число
169
таких вариантов у отдельных SCADA-программ лежит в диапазоне от
2 до 5;
- число рабочих станций операторов, обслуживаемых SCADAпрограммой, может доходить до нескольких десятков.
10.4. Взаимодействие SCADA-программ с внешними
программными средствами
1. Большинство SCADA-программ работает под операционны
ми системами Windows, что позволяет им использовать все богатство
приложений, пакетов программ, типовых технологий и интерфейсов,
работающих под Windows. Часть SCADA-программ работает под опе
рационной системой реального времени QNX или под операционной
системой Linux. Есть многооперационные SCADA-программы, работа
ющие под различными операционными средами; это дает пользователю
наиболее широкий диапазон их возможного использования.
2. SCADA-программе необходимо иметь базовое СУБД для сохра
нения текущих значений измеряемых величин и событий и для соз
дания архива исторических данных. Различные SCADA-программы
по-разному реализуют эту необходимость:
- ряд SCADA-программ имеют собственные специальные СУБД;
- другие SCADA-программы используют в качестве своей СУБД
одну из распространенных реляционных СУБД (например, Microsoft
SQLServer);
- есть SCADA-программы, которые поддерживают ряд распро
страненных СУБД (например, Microsoft SQLServer, Accesss, Oracle)
и заказчик может выбрать одну из них для использования в своей
SCADA-npo грамме..
3. Для связи SCADA-программы с контроллерами, кроме повсе
местно используемого интерфейса ОРС к современным контроллерам
и инструментального средства разработки драйвера к контроллерам,
не имеющим ОРС-сервера, есть еще у большинства SCADA-программ
достаточно большой набор готовых драйверов к отдельным распро
страненным типам контроллеров. Несмотря на наличие у SCADAпрограммы интерфейса ОРС, такой имеющийся драйвер к конкретным,
работающим на объекте контроллерам может быть важным для по
тенциального заказчика по одной из двух причин: либо у данных кон
троллеров нет ОРС-сервера, либо есть необходимость ускорить обмен
данными между контроллерами и SCADA-программой (поскольку об
мен информацией по интерфейсу ОРС заметно медленнее, чем по драй
веру). По набору имеющихся готовых драйверов SCADA-программы
резко различаются друг от друга как числом таких драйверов в наборе
170
(от нескольких единиц до многих сотен единиц), так и типами контрол
леров, на которых рассчитаны драйверы (от наиболее распространенных
в мире контроллеров ведущих мировых производителей до российских
контроллеров разных фирм и разных годов выпуска, используемых на
российских предприятиях).
4. Для связи с посторонними средствами, непосредственно не вхо
дящими в разрабатываемую систему контроля и управления, кроме
обычных стандартных и типовых сетевых связей отдельные SCADAпрограммы имеют специальные возможности:
- выделенный web-сервер, реализующий связь через Интернет;
- связь через выделенный или коммутируемый телефонный канал;
- связь через отдельный радиоканал;
- связь через существующую на предприятии сотовую сеть;
- связь через систему телеметрии.
10.5. Качество работы SC ADA-программ
Под качеством работы SCADA-программы обычно понимается
совокупность наименее формализуемых ее характеристик:
- простота
разработки
исполнительского
комплекса
SCADA-программы,
- отработанность программного обеспечения,
- необходимое разнообразие и наглядность информационных
средств представления информации,
- привычность и наглядность ввода оператором управляющих
воздействий.
Все эти характеристики отличают разные SCADA-программы
друг от друга, они имеют значительный интерес для потенциальных
заказчиков, но их качественные оценки нельзя получить ни
ознакомлением с рекламными материалами, ни даже просмотром
документации соответствующей SCADA-программы. Их получение
требует определенного труда потенциального заказчика, поэтому
целесообразно проводить эти оценки только тогда, когда в результате
анализа по всем предыдущим свойствам и отличиям у потенциального
заказчика останется 2-3 претендента на конкретный заказ SCA
DA-программы и оценки и сопоставления качества работы только этих
претендентов следует провести.
Простота
разработки
исполнительного
комплекса
SCA
DA-программы должна быть просмотрена и оценена разработкой с
помощью инструментального комплекса некоего демонстрационного
прототипа SCADA-программы, близкого требуемому реальному
программному обеспечению оператора в проектируемой системе,
171
Практически это не вызывает организационных затруднений, поскольку
ряд производителей SCADA-программ предлагают инструментальный
комплекс бесплатно, другие бесплатно выдают его во временное
пользование.
Отработанность программного обеспечения SCADA-программы
косвенно характеризуется числом внедрений последней версии SCA
DA-программы и может быть оценена по соответствующему референцлисту.
Разнообразие
и
наглядность
информационных
средств
представления информации, привычность и простота ввода оператором
управляющих воздействий определяется изучением демо-пакетов,
рассмотрением и сопоставлением состава наборов примитивов,
элементов оборудования, модулей контроля и управления, придаваемых
к программному обеспечению каждой SCADA-программы. Полезным
является также общение с персоналом предприятий данной отрасли,
обслуживающим рассматриваемые SCADA-программы, на предметы
простоты их модификаций и удобства их использования операторами.
Повышение надежности работы SCADA-программы достигается
диагностированием неисправностей и резервированием серверов,
сетей, рабочих станций или отдельных исполняемых ими функций.
SCADA-программа обычно
диагностирует обрывы
сетей,
соединяющих сервер с контроллерами и рабочих станций с сервером.
Горячее резервирование сервера ввода/вывода (сервера, связанного
с контроллерами), чтобы не удваивать нагрузку на сеть, связывающую
сервер с контроллерами, часто организуют следующим образом:
резервный сервер каждый цикл получает все текущие данные от
основного сервера, но если в очередной цикл данные от него не
поступают (неисправность основного сервера), то резервный сервер
сам подключается к этой сети и работает с нею до тех пор, пока он
снова не начнет получать данные от основного сервера. Повышение
надежности решения разных задач в сервере достигается также
разделением функций сервера и разделением баз данных на отдельные
группы задач: сервер работы с текущими сигналами ввода/вывода,
сервер обработки графической информации, сервер поддержки отчетов,
сервер обслуживания текущих событий и тревог.
Резервирование сетей, соединяющих рабочие станции с сервером
и сервер с контроллерами, имеет ряд вариантов: возможно полное
резервирование всех элементов сетей; возможно резервирование
только физической среды передачи данных или только аппаратуры
сети: сетевых контроллеров и повторителей; возможно резервирование
связи сервера с контроллерами через дополнительные связи, например,
172
связями типа «точка к точке».
Резервирование рабочих станций достигается назначением для
дублированных рабочих станций одних и тех же уровней доступа к
информации и реализацией на них одних и тех же исполнительных
комплексов SCADA-программы. Следует отметить, что поскольку все
рабочие станции взаимозаменяемы, специальное их дублирование при
наличии ряда рабочих станций, каждая из которых выполняет отдельные
функции, не обязательно; при выходе из строя одной из рабочих станций
ее функции передаются на одну из работающих, временно повышая ее
нагрузку.
Безопасная
эксплуатация
SCADA-программ
достигается
исключением несанкционированного доступа к ним путем введения
разнообразных по возможностям уровней доступа к информации
SCADA-программы и к возможным воздействиям через нее на
автоматизируемый объект, а на каждом уровне доступа введением
многочисленных
паролей,
идентифицирующих
конкретных
пользователей SCADA-программы.
Глава 11. Взаимодействия прикладных программных
компонентов, используемых SCADA-программой
В SCADA-программах широко используется свойство открытости
различных программных компонентов, которое позволяет им
взаимодействовать друг с другом; оно реализуется через универсальные
технологии и типовые программные интерфейсы, которыми оснащаются
программные компоненты разных фирм. Наиболее распространенные
виды таких типовых взаимосвязей программ, используемых SCADA-программами, приводятся ниже.
11.1. Технология общения программ-OLE
OLE - Object Linkingand Embedding (связывание и внедрение
объектов). Данная, разработанная Microsoft технология, позволяет
в среде Windows обмениваться объектами (программами) между
программой-поставщиком (сервером OLE) и программой-получателем
(клиентом OLE). Она определяет три вида обмена:
- копирование объекта - одномоментное действие, при котором объ
ект теряет связь с сервером и переходит к клиенту;
- внедрение объекта (Embedding) - действие, при котором объект
переходит к клиенту, а последний запоминает сервер и, при необходи
мости редактировать объект, он обращается к серверу для проведения
этого действия;
-связывание объекта (Linking) - действие, при котором объект не
173
переходит к клиенту, а последний хранит о нем визуальное представле
ние и его адрес в сервере. Если в сервере объект изменился, то и клиент
будет его иметь в измененном виде.
Действия внедрения и связывания позволяют клиенту обрабатывать
объект не у себя, а в сервере; при этом связывание экономит память
у клиента, поскольку он хранит не сам объект, а только его адрес в
сервере.
11.2. Компонентная объектная технология - COM/DCOM
Развитием технологии OLE является объектная технология СОМ/
DCOM -Component Object Model/Distributed Component Object Mod
el (компонентная объектная модель, локальная и распределенная). Она
была разработана Microsoft для среды Windows, но постепенно была
перенесена на другие распространенные операционные системы.
По этой технологии программа строится из взаимодействующих
между собою отдельных объектов-компонентов Каждый компонент
является самостоятельной, скомпилированной программой, готовой
к использованию. При наличии библиотеки различных компонентов,
можно из них собирать требуемые программы. Стандарт COM/DCOM
определяет технологию создания программ из отдельных объектов,
разработанных по определенным правилам. Он также устанавливает
правила, которым должны следовать все компоненты, чтобы обеспечить
их совместную работу. Распределенная компонентная архитектура
DCOM
поддерживает
множество
распространенных сетевых
протоколов: TCP/IP, UDP, IPX/SPX, NetBIOS и др., поэтому программы,
использующие технологию DCOM, могут работать в различных типах
сетей.
Основные свойства компонентов:
- компонент является скомпилированной, готовой к реализации
программой;
- компонент состоит из функциональной программы и интерфейса.
Любая модификация функции, реализуемой компонентом, не затраги
вает интерфейса, благодаря этому любое изменение компонента не на
рушает его связи с другими компонентами;
- компонент может быть написан на любом языке программирова
ния, это не сказывается на его связях с другими компонентами;
- компоненты могут находиться на одном компьютере или на
компьютерах разных узлов сети, это никак не сказывается на их
взаимодействии.
Для организации межкомпонентного взаимодействия используется
механизм локального вызова процедуры, если компоненты находятся
174
на одном компьютере, и механизм удаленного вызова процедуры, если
они находятся на разных компьютерах. При вызове одним компонентом
другого он передает ему необходимые исходные данные для реализации
заложенной в компоненте функции; если компоненты находятся
на разных машинах, то эти данные преобразуются операционной
системой в формат, учитывающий межмашинные различия. Для самих
компонентов взаимодействие внутри одного компьютера или между
разными компьютерами на отдельных узлах сети не отличаются, все
связи и преобразования автоматически осуществляются технологией
COM/DCOM.
11.3. Компонентная объектная архитектура - CORBA
Конкурентом
модели
COM/DCOM,
также
использующим
компонентную сборку программ, является архитектура CORBA Common Object Request Broker Architecture (общая архитектура
брокеров объектных запросов), разработанная консорциумом OMG.
Она определяет свой стандарт промежуточного уровня программного
обеспечения связи компонентов. Архитектура промежуточного уровня
базируется на следующих базовых принципах:
- компоненты программ могут находиться в разных исполняемых
файлах, размещаться в разных технических средствах;
- компоненты могут быть написаны на разных языках программи
рования и выполняться под разными операционными системами.
Реализация указанных принципов в модели CORBA сходна с их ре
ализацией в модели DCOM; однако существует ряд программных раз
личий. Перечислим некоторые из них, имеющие отношение к сферам
использования этих моделей:
- COM/DCOM разрабатывалась под операционные системы
Microsoft (Windows) и затем уже расширяется на другие операционные
системы, тогда как CORBA с самого начала нацелена на разнообразные
операционные системы;
- COM/DCOM по сравнению с CORBA более ограничена в разноо
бразной языковой поддержке компонентов, тогда как CORBA с самого
начала нацелена на гетерогенную среду.
В клиент-серверных системах масштаба отдельного предприятия
с типовой операционной системой Windows и с преимущественно
настольными системами более широкое использование получила
модель DCOM.
В крупных холдингах и целых отраслях с программной и
аппаратной многоплатформенностью, при необходимости интеграции
с унаследованными приложениями на мейнфреймах наибольшее число
175
приложений получила модель CORBA.
Ряд компаний разработали взаимодействие между моделями DCOM
и CORBA, что позволяет сосуществовать в системе объектам как той,
так и другой модели.
11.4. Взаимодействие программ на базе архитектуры ActiveX
На технологиях OLE и COM/DCOM развилась архитектура ActiveX
. Она позволяет в среде Windows одному программному компоненту
(так называемому, управляющему элементу ActiveX или объекту Ac
tiveX) взаимодействовать с другими программными компонентами.
Объекты ActiveX реализуются в двух основных формах: как
встроенные в программу серверы и как серверы, реализуемые отдельно
от программы. В первом случае программные компоненты могут
строиться как ActiveX контейнеры (клиенты), в которые встраиваются
серверы - управляющие элементы ActiveX (практически, строительные
блоки программ). Во втором случае объекты ActiveX являются
основой создания распределенных программ. При реализации
объекта ActiveX как встраиваемого сервера достигается максимальная
производительность, при реализации объекта ActiveX вне пространства
программы уменьшается производительность и увеличиваются
накладные расходы.
Объекты ActiveX позволяют программе:
- получать запрашиваемую информацию с разных программ и узлов
сети;
- загружать и запускать программы на разных узлах сети;
- выполнять заданные функции в сетевой среде;
- получать извещения о происшедших событиях на разных узлах
сети
Объекты ActiveX используются в программах, написанных на
разных языках.
11.5. Интерфейс взаимодействия программ в промышленных
системах автоматизации - ОРС
Стандарт ОРС (OLE for Process Control - стандарт OLE для
промышленного управления) сыграл очень важную роль в достижении
открытости различных средств автоматизации. Он определяет, в
частности, механизм доступа к данным контроллера из любого
программного приложения. Наличие в открытых SCADA-программах
стандартного
интерфейса
ОРС
позволяет
непосредственно
информационно соединять их с контроллерами разных фирм, у которых
имеется интерфейс ОРС, без разработки специальных драйверов.
176
Стандарт
ОРС
разработан
независимой
международной
организацией ОРС Foundation, членами которой являются более 400
фирм. Он базируется на технологии OLE и работает при различных
операционных системах Стандарт ОРС обеспечивает совместимость и
взаимозаменяемость средств автоматизации от разных производителей.
Через интерфейсы ОРС одни программы могут читать и записывать
данные в другие программы, передавать различные сообщения друг
другу; все это происходит независимо от расположения программ на
различных узлах сети и независимо от производителей аппаратуры и
самих находящихся в ней программ.
Взаимодействие по интерфейсу ОРС основано на клиент-серверной
схеме. SCADA-программы и различные прикладные пакеты программ
выполняют роль клиента при обмене данными с любым устройством
(контроллером, блоком ввода/вывода, прибором), у которого есть
ОРС-сервер. При этом реализуются как прямые вызовы от клиента к
серверу, так и обратные - от сервера к клиенту. Таким образом, любое
техническое средство, у которого имеется ОРС-сервер, может без какихлибо специальных драйверов взаимодействовать с любой открытой
SCADA-программой.
Следует отметить, что хотя ОРС не обеспечивает работу в жестком
реальном времени, имеющаяся частота передачи данных порядка
50 мс обычно удовлетворяет требованиям большинства конкретных
промышленных объектов.
Стандарт ОРС состоит из десяти спецификаций; из них пять ниже
следующих используются наиболее часто:
- ОРС DataAccess(D&A) -доступ к данным реального времени
(в частности, обмен текущими значениями между контроллерами и
SCADA-программой),
- ОРС AlarmsandEvents(A&E)- уведомление клиента (в частности,
SCADA-программу) о тревогах и событиях,
- ОРС HistoricalDataAccess (Н&А) - доступ к историческим данным
с помощью технологии COM/DCOM,
- ОРС Batch - обмен информацией о состоянии оборудования,
- ОРС Security - авторизация доступа к данным.
Доступ к данным реального времени (ОРС DataAccess) имеет
основное понятие - элемент данных. Каждый элемент данных
(измеряемая величина) состоит из значения, которое может быть любой
информацией скалярного типа; времени последнего обновления,
которое проставляется с 100-наносекундной точностью; признака
качества - кода, который определяет достоверность значения.
Метка времени либо формируется и передается контроллером, либо
177
вносится компьютером, получающим данные.
Метка качества определяет качество данных и может принимать
значения: хорошо, неопределенно, плохо. Если качество плохое или
неопределенное, то получившее эти данные приложение имеет, обычно,
доступ к полям диагностики, где метка качества расшифровывается.
Она может конкретизироваться одним из ряда причин:
- отсутствие связи,
- сбой устройства,
- ошибка конфигурации,
- отказ датчика,
- данные заблокированы,
- причины неизвестны.
По требованию клиента ОРС-сервер создает группу данных,
которую он обновляет и передает клиенту с заданной ему клиентом
частотой. Клиент может создавать для себя на сервере несколько групп
данных, различающихся требуемой частотой обновления.
Обработка тревог и событий производится ОРС-сервером тревог
(ОРС AlarmsandEvents), он формирует определенные логические
параметры (события), посылает их клиентам, а последние подтверждают
получение этих сообщений.
Доступ к историческим данным производится через ОРС-сервер
исторических данных (ОРС HistoricalDataAccess), который полученные
в реальном времени значения величин архивирует и предоставляет их
по запросам клиентов.
Обмен данными между клиентом и сервером может проходить
в синхронном режиме (клиент инициирует периодический обмен) и
асинхронном режиме (сервер оповещает клиента об изменившихся
значениях величин, интересующих клиента, что обеспечивает
минимальное время обнаружения разных событий).
ОРС-сервер часто является переводчиком с какого-то протокола на
ОРС, что значительно расширяет круг программ, работающих с данным
средством.
В SCADA-программах интерфейс ОРС может быть включен либо
как один из интерфейсов взаимодействия с внешними программами;
либо являться основой структуры SCADA-программы. В последнем
случае все компоненты SCADA-программы взаимодействуют между
собою через ОРС, являясь, в зависимости от ситуации клиентами или
серверами, или теми и другими одновременно.
Инструментальные средства для разработки ОРС-компонентов
могут либо поставляться разработчиками SCADA программ, либо
независимыми производителями программных средств. Использование
специализированных инструментальных средств создания ОРС-
178
серверов и ОРС-клиентов значительно упрощает разработку ОРСкомпонентов, поскольку предлагает готовую реализацию ОРСинтерфейса.
Практика использования ОРС-интерфейса выявила ряд его
недостатков В частности:
- он доступен только на операционных системах семейства Microsoft
Windows;
- зависимость от технологии DCOM делает его недостаточно на
дежным, не позволяет обмениваться данными через Интернет, ограни
чивает информационную безопасность.
В связи с этим в 2006 году организация ОРС Foundation предложи
ла новую стандартную спецификацию для обмена данными в системах
промышленной автоматизации - ОРС Unified Architecture (ОРС UA) ОРС с унифицированной архитектурой. Спецификация ОРС UA совме
щает все преимущества предыдущих спецификаций и не имеет приве
денных выше недостатков.
Основным отличием спецификации ОРС UA от ранее сформирован
ных спецификаций стандарта ОРС является отказ от технологии СОМ/
DCOM. ОРС UA устанавливает методы обмена сообщениями между
ОРС сервером и клиентом, которые обладают следующими важными
свойствами:
- независимость от аппаратно-программной платформы, языков
программирования, от типа взаимодействующих систем и сетей;
- обеспечение надежной и безопасной коммуникации, противодей
ствующей вирусным атакам и гарантирующей идентичность информа
ции клиента и сервера,
- наличие механизма быстрого обнаружения ошибок коммуникации
и восстановления данных,
- возможность организации передачи информации через интернет.
11.6. Язык запросов к реляционным СУБД - SQL
SQL - Structured Query Language (язык структурированных запросов
к реляционным базам данных). Он является международным стандартом
ISO, первая версия которого была утверждена в 1987 г. В настоящее
время он поддерживается подавляющим большинством реляционных
СУБД, которые имеют для этого компилятор запросов языка SQL.
Язык SQL является универсальным средством общения
пользователей и их прикладных программ с СУБД.
Язык SQL строится как логическое условие выборки определенных
данных из одной или ряда таблиц (файлов) СУБД; он базируется на
широком использовании различных предикатов и кванторов.
Язык SQL обеспечивает авторизацию доступа к СУБД: каждый
179
пользователь имеет свои, доступные ему объекты базы данных и он, в
частности, может с помощью SQL передать свои права на эти объекты
другому пользователю.
Основные категории команд языка SQL:
- команды определения данных позволяют создавать и изменять
структуру объектов базы данных; например, создавать и удалять
таблицы;
- команды манипулирования данными используются для манипули
рования информацией внутри объектов реляционной базы данных;
- команда запросов используется для формирования запросов к ре
ляционной базе данных;
- команды управления данными позволяют управлять доступом к
информации, находящейся внутри базы данных и служат для контроля
над распределением привилегий между пользователями;
- команды администрирования данных осуществляют контроль за
выполняемыми действиями.
Главные достоинства языка SQL:
- независимость от конкретных СУБД;
- возможность переноса языка с одной вычислительной системы на
другую;
- простота его изучения пользователями;
- работа в интерактивном режиме, когда можно получить результат
запроса за очень короткое время без написания сложной программы;
- поддержка архитектуры клиент-сервер, поскольку он служит свя
зующим звеном между взаимодействующей с пользователем клиент
ской системой и серверной системой, управляющей базой данных;
- наличие средств динамической компиляции запросов: возможно
построение эффективных диалоговых систем с типовыми наборами
запросов
11.7. Обмен программ с СУБД на базе драйвера ODBC
Для реализации унифицированного доступа клиентов к различным
СУБД введено понятие типового драйвера ODBC - Open Data Base Con
nectivity (открытый интерфейс взаимодействия с базой данных). ODBC
позволяет взаимодействовать приложениям (программам), работающим
в среде Windows (а с помощью сторонней разработки и в среде Unix)
посредством операторов языка SQL с СУБД, функционирующими
под различными операционными системами. Фактически, ODBC это
интерфейс, обеспечивающий взаимную совместимость серверных и
клиентских компонентов доступа пользователя к данным; он изолирует
клиента от особенностей реализации источника данных, предоставив
ему стандартный интерфейс доступа. Иначе, он позволяет создавать
180
приложения, способные работать со многими СУБД, при условии, что
эти СУБД тоже поддерживают этот стандарт. При этом, со стороны
клиента совершенно не обязательно знать с какой СУБД он работает в
данный момент.
Драйвер ODBC состоит из клиентской и серверной частей. В
клиентской части находятся менеджер драйверов и ODBC-драйверы.
Менеджер драйверов, получив запрос на функции ODBC по выполнению
SQL-инструкций, загружает соответствующий определенной СУБД
ODBC-драйвер
ODBC-драйвер обрабатывает функции ODBC,
передает операторы SQL в СУБД и возвращает результат отправителю
запроса (пользователю или прикладной программе). В серверной части,
находящейся на стороне источника данных - СУБД, имеются детали
сетевого интерфейса, расположение и имя СУБД и другие необходимые
для общения с клиентской частью элементы
Достоинства использования драйвера ODBC:
-независимость клиентского приложения от деталей реализации
источника запрашиваемых данных;
- легкий переход приложения к различным СУБД;
- возможность работы клиентского приложения с несколькими сер
верами баз данных;
- поддержка драйвера ODBC со стороны большого числа разработ
чиков СУБД.
Глава 12. Направления развития SCADA-программ
Важно отметить все усиливающуюся последние годы тенденцию
включения SCADA-программы в более общий набор взаимосвязанных,
повсеместно используемых программных пакетов, имеющих единые
информационные базы данных (текущего времени и исторические)
и совместно реализующие функции контроля и управления разных
объектов и на разных иерархических уровнях производства.
Если типовая задача SCADA-программы заключается в обработке
информации от средств системы автоматизации технологического
агрегата и реализации взаимодействия операторов с этой системой
автоматизации, то ее развитие захватывает задачи следующих областей:
- добавление функций по автоматизации обслуживания входящих
в АСУТП контроллеров. В частности, многие SCADA-программы ис
пользуют пакет программирования контроллеров - SoftLogic;
- включение функций обработки информации в системах авто
матизации других классов производственных объектов и реализация
взаимодействия персонала определенных производственных служб
с этими системами. В частности, в системах автоматизации уровня
181
всего производства используются единые, интегрированные с АСУТП
SCADA-программы, имеющие расширенный функциональный состав.
Их применение упрощает разработку и взаимодействие между сервера
ми и рабочими станциями отдельных служб управления производством.
Если первая задача включает в функции SCADA-программы
обслуживание более низкого, промышленного уровня АСУТП; то
вторая задача обогащает SCADA-программы новыми функциями,
относящимися к обработке данных систем автоматизации разных
классов производственных объектов в составе всего производства.
Примерный
набор
функций,
реализуемых
отдельными
программными пакетами, в таких интегрированных SC ADA-программах
включает в себя:
- сбор, вычислительную и логическую обработку, архивирование
измеряемых данных;
- создание различных форм взаимодействия средств и систем авто
матизации с операторами и инженерным персоналом производства;
- использование технологических языков программирования
контроллеров;
- работу с библиотеками программ регулирования и логическо
го управления непрерывными и периодическими технологическими
процессами;
- поддержку
мониторинга
и
обслуживания
оборудования
производства;
- контроль и учет текущей работы всего производства, включающий
вычисление ключевых показателей эффективности производства и от
дельных его подразделений;
- обработка данных по работам производственного персонала: рас
чет стоимости, фиксация качества, оценка сроков выполнения отдель
ных работ и статистический анализ частоты и параметров выполнения
отдельных классов работ;
- обмен производственной информацией (текущими значениями
измеряемых величин, возникающими событиями, ключевыми учет
ными показателями, архивными данными) между рабочими станция
ми персонала производства и их с пультами руководящего персонала
предприятия.
12.1. Развитие SCADA-программы по обслуживанию
контроллеров АСУТП
Ряд SCADA-программ включил в свой состав средство
программирования
контроллеров
SoftLogic,
использующее
технологические языки стандарта МЭК 61131-3. Благодаря этому в
SCADA-программе образуется единая система программирования
182
и тестирования всех компонентов ПТК: контроллеров, серверов и
рабочих станций.
Варианты SoftLogic, которые используются в отдельных SCADA-программах, различаются по многим свойствам:
- SoftLogic могут охватывать, как все пять языков стандарта МЭК
61131-3, так и наиболее востребованные для контроллеров АСУТП язы
ки LD и FBD. Иногда разработчики SCADA-программы добавляют в
SoftLogic нестандартный язык собственной разработки;
- среда программирования в SoftLogic может быть заимствованной:
типа CoDeSys или ISaGRAF. Иногда разработчики SCADA-программы
используют собственную разработку среды программирования
контроллеров;
-включенное в SCADA-программу SoftLogic либо является уни
версальным для любых контроллеров, либо ограничивается отдельны
ми типами контроллеров или классом контроллеров, работающих под
определенной операционной системой.
Если в библиотеке SCADA-программы имеется достаточно полный
набор готовых программных блоков типовой вычислительной обработки
значений измеряемых величин, различных вариантов регулирования,
формул логического управления, блокировочных зависимостей
взаимосвязанных механизмов, то программирование контроллеров
может производиться путем конфигурирования программы их работы
имеющимися программными блоками.
Отладка программ работы контроллеров в SCADA-программе
проводится либо в контроллерах реального ПТК, либо режимом
эмуляции в компьютере, если в нем заложен имитатор работы
контроллера в реальном времени.
В отдельные SCADA-программы включаются и функции слежения
за работой контроллеров и корректировки их работы:
- вычисление текущей точности поддержания каждым контуром ре
гулирования заданного значения регулируемой величины;
- программы самонастройки и/или адаптивной корректировки пара
метров контуров регулирования.
12.2. Развитие SCADA-программы по обслуживанию оборудования
(ЕАМ)
В ряд SCADA-программ включаются функции автоматизации
текущего обслуживания оборудования производственных объектов:
- электронная паспортизация оборудования: создание базы данных
документации оборудования, в которой ведется вся история эксплуа
тации и ремонтов отдельных единиц оборудования: их перемещения
по производственным объектам, перечень их ремонтов с временем их
183
проведения и составом проведенных ремонтных работ, их наработкой
между последовательными ремонтами, частотой возникновения дефек
тов отдельных видов;
- вычислительная обработка текущих данных измерительных
средств автоматического мониторинга состояния основного динамиче
ского и статического оборудования:
- фильтрация измеряемых величин от высокочастотных помех, если
показателями текущего состояния оборудования выступают сами зна
чения измеряемых величин;
- усреднение измеряемых величин за определенное время, если по
казателями текущего состояния оборудования считаются средние зна
чения измеряемых величин;
- расчет дисперсий измеряемых величин за определенный интервал
времени, если показателями текущего состояния оборудования счита
ются текущие дисперсии измеряемых величин;
- прогноз значений измеряемых величин, показывающий развитие
во времени дефектов оборудования (его износа), фиксируемых измеря
емыми величинами;
- вычисление разности текущих и полученных в определенный про
шлый момент (интервал) времени аналогичных характеристик измеря
емых величин, указывающее на скорость развития дефекта во времени.
В целом это обеспечивает непрерывное автоматическое слежение
за качеством работы оборудования и позволяет своевременно выявлять
возникающие дефекты оборудования, которые могут привести к его
отказу, и прогнозировать их развитие.
Следует подчеркнуть, что здесь под изменением любого показателя
состояния оборудования во времени понимается изменение значений
этого показателя не по календарному времени, а по времени наработки
соответствующей единицы оборудования.
12.3. Развитие SCADA-программы по обслуживанию службы
диспетчеризации производства
Обслуживание диспетчерской службы или единой операторной
производства приводит к необходимости работать данной SCADA-программе с различными СУБД серверов отдельных АСУТП:
принимать от них информацию, проверять ее достоверность,
преобразовывать в единый формат, обрабатывать, хранить, выдавать
пользователям.
Имена измеряемых величин, по разному сформированных в СУБД
различных АСУТП, приводятся к единой системе имен всех вводимых
в диспетчерскую систему величин и заменяются на наиболее понятные
для пользователей обозначения; например, на имя производственного
184
объекта и наименование измеряемой в нем величины.
Отдельные SCADA-программы, при их развитие на обслуживание
единой операторной производства, реализуют следующие функции
контроля и учета работы производства:
- сбор данных от средств и систем всех производственных объектов
разных производителей путем использования многих различных
интерфейсов;
- перекодирование, интеграция, сжатие и архивация введенных
данных;
- централизованная диагностика поступления и хранения данных;
- расчет текущего ресурса различного оборудования производства;
- оценка производительности отдельных агрегатов и цехов;
- оценка энергопотребления отдельными агрегатами;
- контроль и учет различных материальных и энергетических
потоков;
- контроль и учет качества выпускаемых агрегатами полуфабрикатов
и выпускаемой производством готовой продукции;
- создание и выдача различным руководящим подразделениям пред
приятия отчетных документов заданных форм.
Особенности обслуживания диспетчерской службы касаются
формирования следующих характеристик работы производства:
- учета поступления на предприятие сырьевых компонентов и от
грузки готовой продукции;
- количественных показателей выработки и качественных характе
ристик полуфабрикатов и готовых продуктов по отдельным хранили
щам, цехам и технологическим агрегатам;
- регистрации маршрутов движения материальных потоков сырья,
полуфабрикатов, готовой продукции и их перемещения по транспорт
ным линиям;
- расчета масс сырья, полуфабрикатов, готовой продукции в разных
хранилищах и регистрации остатков в них после загрузок и отбора;
- контроля и учета компаундирования полуфабрикатов;
- вычисления ключевых показателей эффективности работы произ
водств за заданные интервалы времени: массы (или объемы) приема,
выработки, перемещений, смешений, отгрузки, остатков материальных
потоков, энергопотребления.
185
Вторая часть
Особенности построения
современных
систем автоматизации
производственных объектов
Раздел V.
Структуры и функции систем автоматизации
разных классов производственных объектов
Общие положения
В данном разделе рассматривается класс систем автоматизации
любых производственных объектов предприятий технологических от
раслей, поскольку описываемые основные свойства систем автомати
зации резервуарных парков и хранилищ сыпучих материалов, систем
компаундирования жидких и твердых продуктов, систем управления
котельными, насосными, компрессорами и т. п. по рассматриваемым
основным свойствам мало отличаются от систем автоматизации техно
логических агрегатов (от АСУТП).
Как ранее уже указано, каждая из систем этого класса иерархически
подразделяется на три уровня: полевой, промышленный и информаци
онный. Повторим состав технических компонентов каждого из уровней
этих систем:
- средства полевого уровня: датчики и исполнительные комплексы,
состоящие из исполнительных механизмов и регулирующих органов;
- средства промышленного уровня: контроллеры с встроенными в
них или распределенными по производству блоками ввода/вывода;
-средства информационного уровня: серверы, обрабатывающие
и хранящие контрольную, учетную и управляющую информацию, ра
бочие станции операторов и администратора системы.
Все эти средства взаимодействуют через объединяющие их поле
вые, промышленные и информационные сети.
Обобщенно, рассматриваемые системы часто подразделяют на сред
ства полевого уровня и программно-технические комплексы (ПТК),
состоящие из средств промышленного уровня(контроллеров с входя
щими в их состав блоками ввода/вывода), и средств информационного
уровня (серверов, рабочих станций операторов и администратора сети).
Основной сетевой уровень ПТК - промышленная сеть, соединяющая
между собою контроллеры с серверами и/или с рабочими станциями.
Кроме того, ПТК большей частью имеет информационную сеть, сое
диняющую сервер и рабочие станции между собою, и полевую сеть,
которая связывает отдельные контроллеры с их блоками ввода/вывода,
если они выделены в отдельные конструктивы и вынесены к местам
расположения датчиков и исполнительных механизмов. Кроме того, по
левые сети соединяют блоки ввода/вывода контроллеров с средствами
полевого уровня.
На практике наибольшее распространение полу чили территориально
187
распределенные ПТК, в которых контроллеры или их блоки ввода/
вывода (что чаще) вынесены на производство к местам расположения
датчиков и исполнительных механизмов и соединены сетью с централь
ной частью ПТК. Такой ПТК имеет наименование «Распределенная си
стема управления (РСУ)» или в англоязычных материалах «Distributed
Control System (DCS)».
Важно отметить, что отдельно рассматриваемые ПТК или РСУ не
являются полномасштабной системой автоматизации производствен
ного объекта (как это большей частью принимается на предприятиях),
поскольку в них не входят средства полевого уровня. Это чисто тер
минологическое несоответствие приводит к существенным конкрет
ным потерям на практике: внедрение современного ПТК или РСУ на
производственном объекте без необходимой модернизации, замены
и расширения средств полевого уровня (что не редко наблюдается на
предприятиях разных отраслей) фактически равносильно построению
здания без надлежащего фундамента и, естественно, не может способ
ствовать достижению возможной эффективности от функционирова
ния новейших ПТК или РСУ
Основные технические и программные средства систем контроля
и управления производственными объектами описаны в первой части
книги, поэтому данный раздел направлен на рассмотрение существу
ющих вариантов их объединения в единые системы автоматизации; на
анализ свойств и характеристик таких систем, ориентированных на раз
ные классы производственных объектов; на перспективы развития этих
систем, определяемых направлением развития всех составляющих их
компонентов.
Ниже основное внимание уделяется тем свойствам систем автома
тизации любых производственных объектов, которые отличают их с
точки зрения использования, позволяют потенциальным пользователям
лучше понять разницу между отдельными средствами и системами,
связать определенные свойства объекта и требования к системе его ав
томатизации с характеристиками и параметрами конкретных техниче
ских и программных средств.
Глава 13. Системы контроля и управления рабочими
режимами производственных объектов
Используемые на предприятиях разновидности систем автоматиза
ции любых производственных объектов, состоящие из средств полевого
уровня (датчиков и исполнительных комплексов) и ПТК, определяются
следующими факторами:
188
- классом производственных объектов, в которых они используются;
- функциями контроля и управления, которые они реализуют;
- особенностями сопряжения отдельных компонентов систем; в
частности, способом взаимосвязей ПТК с имеющимися средствами по
левого уровня;
- вариантом обмена информацией с внешними информационными
системами;
- условиями работы технических компонентов систем в существую
щих производственных средах.
Свойства любой конкретной системы зависят от возможного числа
различных сочетаний в ней вариантов отдельных компонентов и от их
показателей:
- числа и характеристик отдельных технических средств системы,
- вида и разнообразия реализуемых в ней программ,
- сетевой топологии системы и характеристик цифровых сетей,
- имеющихся интерфейсов и разновидностей физической среды пе
редачи информации между техническими средствами системы.
Сами ПТК и средства полевого уровня различных производителей,
естественно, отличаются друг от друга отдельными свойствами и ха
рактеристиками, но, обобщая имеющиеся современные разработки ве
дущих производителей основных компонентов систем автоматизации,
можно отметить общие черты современных систем автоматизации про
изводственных объектов, присущие их любым разновидностям:
- датчики, измеряющие различные физические величины, оснаще
ны микропроцессорами, что позволяет включить в них ряд вычисли
тельных алгоритмов и проводить самодиагностику их работы;
- в исполнительные комплексы включены компоненты обратной
связи, передающие в контроллеры данные об исполнении заданных им
управляющих воздействий;
-основные компоненты ПТК: контроллеры и рабочие станции вза
имодействуют между собою либо через серверы, либо непосредствен
но; причем в последнем случае в самих рабочих станциях происходит
архивирование и вычислительная обработка данных, полученных от
контроллеров, от средств полевого уровня и от различных внешних для
ПТК информационных систем предприятия;
- наиболее распространенные ПТК достаточно масштабных произ
водственных объектов имеют в своем составе различные по мощности
и параметрам модификации контроллеров, выбор которых определяет
ся конкретными свойствами автоматизируемого объекта;
- рабочие станции ПТК, реализуемые на персональных компьюте
рах, могут иметь до четырех мониторов, на которых единовременно
189
выдаются различные группы текущих данных о протекании автома
тизируемого производственного процесса;
- повсеместно используются мобильные станции операторов, кото
рые по беспроводной связи реализуют позволенные им контрольные и
управляющие функции;
- кроме (или вместо) типовой клавиатуры рабочей станции в ряде
ПТК применяется специальная клавиатура или сенсорная панель, функ
ции которых конфигурируются специально под оператора;
- производятся ПТК, имеющие в максимальной модификации до 50ти и более рабочих станций и до 100 и более контроллеров;
- в отдельных ПТК реализована связь с телевизионными камерами,
которые позволяют оператору следить через монитор рабочей станции
за внешним состоянием производственного объекта, дистанционно ме
нять наведение камер, проводить видеозаписи при возникновении со
бытий, которые подлежат дальнейшему анализу;
- в зависимости от конкретных технических требований большин
ство систем поставляется с различными вариантами резервирования
технических средств, вплоть до полного резервирования всех их основ
ных компонентов:
- горячего резервирования контроллеров;
- взаимного резервирования рабочих станций;
- резервирования всех сетей, связывающих средства ПТК
между собою и ПТК со средствами полевого уровня;
- резервирования технических компонентов сетей (коммутато
ров, антенн, сетевых плат в отдельных средствах и т. п );
- резервирования отдельных датчиков,
- резервирования фидеров питания и использование блоков бес
перебойного питания;
- обеспечивается диагностика работы основных компонентов систе
мы, причем глубина диагностики в ряде систем обеспечивает контроль
работы отдельных модулей контроллеров, датчиков и исполнительных
комплексов; она достигает каждого канала, соединяющего контроллер
с отдельным средством полевого уровня;
- устойчивая работасистем обеспечивается следующими факторами:
- введение в систему новых контроллеров, новых блоков ввода/вы
вода, новых рабочих станций, новых средств полевого уровня произво
дится при функционирующей системе без ее отключения;
- отказ любого технического средства системы не изменяет работо
способность других средств системы;
-замена любого технического модуля контроллера может про
изводиться без отключения питания контроллера и без отключения
190
большинства реализуемых им функций контроля и управления;
- отказ модуля вывода управляющего сигнала на исполнительный
механизм переводит последний в безопасное положение;
- ПТК рассчитаны на связь с любыми средствами полевого уровня,
выдающих в контроллеры типовые аналоговые, дискретные и цифро
вые данные, причем подсоединение к ним возможно различными пу
тями: отдельными линиями или различными типовыми цифровыми,
проводными или беспроводными сетями.
В данной главе выделяются особенности вариантов систем автома
тизации, которые применяются для различных классов производствен
ных объектов предприятий технологического типа.
13.1. Системы автоматизации технологических объектов
13.1.1. Системы автоматизации малых технологических объектов
Системы автоматизации малых технологических объектов, имею
щих порядка нескольких десятков контролируемых и управляемых вели
чин, обычно имеют местные посты управления. Они преимущественно
оснащаются ПТК, конструктивно состоящими из одного универсаль
ного панельного контроллера с блоками ввода/вывода и встроенной
в корпус контроллера рабочей станции оператора с монитором и кла
виатурой. Контролируемые и управляемые средства полевого уровня
могут быть самыми разнообразными, зависимыми от реализуемого в
объекте технологического процесса.
Простейшим вариантом такой системы является панельный кон
троллер с текстовым дисплеем и рядом управляющих кнопок, имею
щий ограниченные возможности программирования или даже только
настройку параметров заранее прошитой в памяти панельного кон
троллера программы. Ряд средств полевого уровня разного назначения
связаны с контроллером аналоговыми линиями связи, а имеющиеся ис
полнительные комплексы, зачастую уже встроены в автоматизируемый
объект
13.1.2. Системы автоматизации технологических агрегатов любого
объема
Системы автоматизации наиболее распространенных техноло
гических агрегатов со средним и большим числом контролируемых
и управляемых величин (до нескольких сотен, тысяч и более) име
ют принципиально иную структуру ПТК и другой набор его средств.
Предпочтительное распространение получили структуры системы,
формируемые из распределенного по производству ПТК, состояще
го из ряда универсальных контроллеров разных модификаций одной
191
серии, объединенных с сервером (или серверами) ПТК промышленной
сетью. Имеющиеся рабочие станции ПТК, связаны между собою и с
сервером информационной сетью. Блоки ввода/вывода контроллеров
вынесены на производство к датчикам и исполнительным механизмам
и связаны с контроллерами полевыми сетями. Сами контроллеры вме
сте с рабочими станциями и серверами чаще размещаются в отдельном
помещении - операторной агрегата, реже - контроллеры тоже рас
пределяются по производству. Современные средства полевого
уровня разнообразного типа взаимодействуют с контроллерами, в ос
новном, через цифровые проводные или беспроводные полевые сети.
Распространенными типами датчиков являются измерители давления,
температуры, расходов материальных и энергетических потоков. Все
более широкое применение приобретают также датчики оценки теку
щего состояния основного оборудования производственных объектов.
В типовой набор алгоритмов и программ управления, реализуемых
системой, входят ПИД регулирование и логические, блокировочные
зависимости управлением пуском, остановом и изменениями режима
работы технологического агрегата.
13.2. Системы автоматизации производственных хранилищ
13.2.1. Системы автоматизации резервуарных парков жидких
продуктов
Резервуарные парки состоят из ряда компактно размешенных ре
зервуаров, обвязанных продуктопроводами между собою и с внешни
ми подразделениями производства, пульта управления с контроллером,
сервером и цифровой сети связи пульта с датчиками резервуаров. Сами
резервуары могут быть разных видов по конструкции (вертикальные,
горизонтальные, цилиндрические, сферические) и по способу хранения
(под давлением или без избыточного давления). Основные функции
контроля и управления не зависят от вида резервуаров. Ими являются:
- контроль и учет объема и массы продукта в резервуаре (масса про
дукта вычисляется по измеряемым в каждом резервуаре величинам:
уровню жидкости, ее температуре, плотности, а объем продукта вычис
ляется по уровню заполнения резервуара с использованием его кали
бровочной таблицы);
- оценка свободного объема резервуаров для приема продуктов;
- прогноз времени заполнения/опорожнения резервуара при его
подключении к продуктопроводам;
- расчетное выявление утечек по показаниям уровнемера и приведе
нию объема продукта к эталонной температуре;
192
- управление заполнением и опорожнением резервуара внутри пар
ковочными и внешними перекачками продуктов.
Особенности структур систем, автоматизирующих резервуарные
парки жидких продуктов, обусловлены спецификой выполняемых
функций и типов измеряемых величин, достаточно компактным распо
ложением резервуаров парка и небольшим числом однотипных датчи
ков для каждого резервуара.
Контроллер вместе с рабочей станцией обычно размещаются в опе
раторной резервуарного парка и проводной или беспроводной сетью
соединяются с датчиками каждого резервуара и с исполнительными
комплексами перекачки продуктов.
В типовой набор датчиков, опрашиваемых ПТК, входят уровнеме
ры, многозонные датчики температуры, датчики давления, плотномеры
(или лабораторные анализаторы плотности), расходомеры и массомеры.
Типовыми алгоритмами и программами, реализуемыми в системе,
являются:
- контроль текущего уровня заполнения резервуаров;
- расчет объема продукта в резервуарах по их калибровочным
таблицам;
- расчет массы продукта в резервуарах по занимаемому им объему,
его плотности и температуре;
- расчет свободного объема резервуаров для приема продукта;
- расчет объема и массы перекачиваемого продукта,
- управление работой перекачивающих продукты насосов и задви
жек трубопроводов.
13.2.2. Системы автоматизации складов сыпучих материалов
Основными функциями систем являются контроль и учет объема и
массы материалов в бункерах, силосах или навалом в складе, а также
оценка свободного объема хранилищ для приема материалов; управле
ние ограничивается заполнением и опорожнением хранилищ.
Структурные особенности систем определяются свойствами склада
и его оборудованием:
- хранением материала в бункерах, силосах, навалом в складе;
- дозированием материала из бункера (силоса) с помощью винтово
го шнека, шнека с ворошителем для исключения слеживания материа
ла, «живого пола» - подвижного дна бункера для доставки материала на
транспортер;
- перемещением материала внутри склада и за его пределы с помо
щью транспортера, грузовых транспортных средств;
- контролем и учетом хранимого и перемещаемого материала
193
уровнемерами в бункерах и силосах, весами при его транспортировке,
лазерными датчиками расчета объема пустого пространства склада, за
полняемого материалом навалом.
Местный пост управления складом в зависимости от числа отдель
ных хранилищ: бункеров, силосов - может формироваться ПТК, состо
ящим их одного панельного контроллера либо из контроллера вместе
с рабочей станцией. Он обычно размещается непосредственно в поме
щении склада. Средства полевого уровня полностью определяются су
ществующим оборудованием склада. Они соединяются с контроллером
проводной или беспроводной сетью.
В типовой набор алгоритмов и программ, реализуемых в ПТК,
входят:
- контроль уровня материала в бункерах и силосах;
- расчет массы материала в отдельном хранилище по его уровню,
удельному весу и калибровочной таблице хранилища;
- расчет свободного объема хранилища для приема материала;
- расчет массы перемещаемого материала;
- управление работой механизмов перемещающих материал.
13.3. Системы автоматизации узлов поточного смешения
компонентов
13.3.1. Системы автоматизации узлов поточного смешения
жидких продуктов
Узел поточного смешения (компаундирования), приготовляющий
готовый продукт заданного качества из находящихся в резервуарах по
луфабрикатов (реже, непосредственно из полуфабрикатов, вырабатыва
емых во время смешения технологическими агрегатами) повсеместно
распространен на предприятиях технологического типа.
Структурные особенности данного варианта системы автоматиза
ции определяются реализуемыми ею прикладными программными мо
дулями, обеспечивающими требуемое качество готового продукта при
известных качественных показателях, используемых при смешении
полуфабрикатов.
Основная задача получения начальной рецептуры смешения и ее
корректировки при проведении процесса смешения выполняется в
специальном компьютере по заданному значению требуемого качества
готового продукта и известным качественным показателям отобранных
для смешения полуфабрикатов. Во многих случаях качество готового
продукта нелинейно зависит от показателей качества используемых
полуфабрикатов, что значительно усложняет алгоритм вычисления
194
рецептуры смешения. Естественно, что в процессе смешения имеется
много факторов, искажающих вычисленную начальную рецептуру сме
шения, что приводит к необходимости ее текущей коррекции, которая
производится по показаниям поточного анализатора качества получае
мой смеси. Он непрерывно или достаточно часто измеряет текущее зна
чение качества смеси либо на выходе узла смешения, либо в резервуаре,
куда поступает приготовленный продукт. Следует отметить, что при до
стижении объема смеси в резервуаре 80-90% от заданного объема вво
дится режим доводки, который так корректирует расходы отдельных
смешиваемых полуфабрикатов, чтобы при достижении 100-процентно
го объема полностью удовлетворить необходимому, заданному качеству
приготовленного продукта.
Кроме этого, в компьютере решается задача построения временных
расписаний получения отдельных готовых продуктов, если рассматри
ваемый узел смешения используется для приготовления различных го
товых продуктов из тех же или других полуфабрикатов.
Типовой технический состав системы, обычно размещаемый в
местном пульте управления узлом смешения, состоит из следующих
компонентов:
- компьютера, решающего задачу смешения;
- контроллера, реализующего заданные компьютером соотношения
смешиваемых полуфабрикатов;
- рабочей станции оператора;
- одного или нескольких поточных анализаторов качества, снабжа
ющих контроллер исходной информацией для формирования управля
ющих воздействий на расходы смешиваемых полуфабрикатов;
- исполнительных комплексов, реализующих управляющие воздей
ствия путем изменения расхода каждого полуфабриката.
Набор прикладных программ, реализуемых контроллером, решает
задачу поддержания заданного соотношения смешиваемых полуфабри
катов, получаемого от компьютера. Решение реализуется выполнением
следующих функций:
- измерением расхода каждого полуфабриката;
- регулированием расхода каждого полуфабриката в соответствии с
заданным рецептом, что конкретно приводит к управлению насосами и
регулирующими клапанами трубопроводов полуфабрикатов.
13.3.2. Системы автоматизации узлов поточного смешения
сыпучих материалов
Задачей систем является получение смесей заданного качества из
ряда материалов с известными показателями качества.
Структурные особенности системы зависят от оборудования узла
195
смешения:
- от типов дозаторов смешиваемых компонентов: бункерного типа
(объемных или весовых, с вибратором или с вибратором и ворошите
лем), тарельчатых питателей, ленточных транспортеров;
- от исполнительных механизмов дозаторов, которыми большей ча
стью являются асинхронные двигатели, оснащенные частотными пре
образователями, изменяющими их скорость;
- от используемых датчиков: весовых, объемных, тензометров,
сигнализирующих о достижении заданного веса при порционном
дозировании;
- от объема хранилища смеси и наличия в нем средств
перемешивания.
Отдельному компьютеру задаются качественные показатели сме
шиваемых компонентов (последние обычно получены лабораторными
анализами компонентов) и требуемый объем и качественные показатели
вырабатываемой смеси. На основе этих исходных данных он разраба
тывает необходимую рецептуру смеси и определяет расход основного
компонента смеси, соотношение расходов всех используемых компо
нентов, общий объем или вес приготовляемой смеси. Соответствующий
этой рецептуре набор программ реализуется в контроллере системы,
который конструктивно является либо панельным контроллером, либо
контроллером с отдельной рабочей станцией. На полевом уровне функ
ционируют необходимые средства контроля и управления.
Во многих системах смешивания контроллер системы реализует вы
данную ему рецептуру в трех последовательно реализуемых режимах:
грубом, точном и досыпке. Грубый режим выполняется при включе
нии цикла смешения, при окончании переходного процесса включения
устанавливается точный режим смешения и после завершения цикла
смешения происходит проверка выполнения заданного объема или веса
смеси и при необходимости проводится режим досыпки.
13.4. Системы автоматизации производственных объектов в
составе единой операторной производства
Для многих крупных предприятий ряда отраслей все более акту
альным становится объединение операторных отдельных производ
ственных объектов: технологических агрегатов, хранилищ сырья,
полуфабрикатов и продукции, энергетических установок, участков
приема сырьевых компонентов и отгрузки готовой продукции и т. д. - в
общий центр операторского управления всеми производственными объ
ектами, который принято называть «Единая операторная». Организация
196
управления производственными объектами из единого центра, которая
является достаточно сложным и трудоемким по разработке и внедре
нию мероприятием, обусловлена следующими причинами:
- управляющий отдельными производственными объектами персо
нал переводится в безопасную и безвредную зону;
- улучшаются условия труда производственного персонала;
- упрощается взаимодействие операторов отдельных производ
ственных объектов между собою и их с диспетчером производства;
- сокращается общее число операторов за счет их более равномер
ной загрузки определенным числом систем управления, не обязательно
принадлежащих одному производственному объекту;
- повышается оперативность управления технологическими про
цессами и производством в целом;
- улучшается качество управляющих решений за счет слежения опе
раторов не только за работой своего, но и соседних с ним по ходу про
изводства агрегатов;
- формируется общая сетевая структура связи АСУТП различных
производителей с единой операторной;
- создается общий централизованный архив информации работы
производства.
В единой операторной обычно размещаются диспетчер производ
ства, начальник смены, технолог смены, инженеры - администраторы
систем и все операторы производственных объектов.
Организация единой операторной производства требует пересмо
тра многих принятых в отдельных операторных участков производ
ства форм и способов человеко-машинного взаимодействия, которые
способствуют облегчению восприятия операторами разных данных
и сообщений и позволяют расширить область управления отдельного
оператора (в частности, вплоть до управления нескольких производ
ственных объектов одним оператором).
В единой операторной необходимы:
- единый перечень обозначений величин всех производственных
объектов, исключающий совпадения имен величин у разных объектов;
- общие по производству единицы измерения, в которых выдаются
операторам оценки значений величин и показателей;
- аналогичные формы выдачи информации (измеряемых данных,
рассчитываемых показателей, сообщений, сигналов) операторам на
разных производственных объектах.
Создание единой операторной корректирует всю схему управле
ния производством, заново формируя структуру систем автоматизации
197
отдельными производственными объектами:
- все системы автоматизации отдельных производственных объек
тов связываются с операторной проводной или беспроводной промыш
ленной сетью;
- в ПТК отдельных систем вводятся более мощные по вычислитель
ным возможностям модификации контроллеров или отдельные ком
пьютеры для реализации алгоритмов оптимизации работы отдельных
участков производства;
- формируется взаимосвязь и объединение различных программ
ных модулей, используемых в системах автоматизации отдельных
технологических объектов, для решения общих задач управления не
сколькими взаимозависимыми объектами. В частности, для этого
применяются компонентные объектные технологии - COM/DCOM и
CORBA, которые.определяют формы создания программ из отдельных
объектов-компонентов;
- создается, кроме отдельных рабочих станций операторов, общая
экранная панель, на которую выводятся основные данные о текущем
состоянии производства и все сообщения о различных нарушениях,
важных для основного персонала единой операторной. Панель обеспе
чивает простое взаимодействие всего персонала операторной: диспет
чера производства, операторов систем автоматизации разных объектов
и других специалистов; облегчает их совместный анализ различных
производственных ситуаций и принятие необходимых управляющих
решений;
- в цехах рядом с производственными объектами остаются только
специальные, резервные пульты операторов, через которые возможно
при определенных аварийных ситуациях реализовывать компенсирую
щие управляющие воздействия;
- существенно возрастает роль обходчиков и реализуются различ
ные системы их связи с операторами: всепогодные переговорные ради
оустройства, громкоговорители и т. п.;
- значительно расширяется роль теленаблюдения за внешним состо
янием производственных объектов, поскольку операторы лишены воз
можности их визуального рассмотрения; реализуется видеонаблюдение
с дистанционным наведением телекамер оператором.
Создание единой операторной существенно изменяет хранение и
обработку информации о работе производства. В операторной форми
руется объединенная база данных производственных объектов, объ
единяющая до 500 тысяч (и более) тегов и располагаемая на многих
взаимосвязанных серверах. Серверы, кроме типовых интерфейсов,
198
имеют десятки драйверов к контроллерам разных производителей, по
скольку обычно эксплуатируемые на производстве ПТК являются раз
новременной продукцией разных фирм.
В целом, единая операторная полностью меняет сетевую структуру
систем автоматизации отдельных произволе! венных объектов, в боль
шинстве случаев увеличивает число различных технических средств
систем, значительно перестраивает программное обеспечение отдель
ных систем, унифицирует средства взаимодействия ПТК с операторами.
Глава 14. Системы противоаварийной зашиты
производственных объектов
Самостоятельным и наиболее ответственным классом систем авто
матизации производственных объектов являются системы противоава
рийной защиты (системы ПАЗ), обеспечивающие безопасность работы
взрывоопасных производственных объектов, широко распространен
ных на предприятиях разных технологических отраслей. Задачей та
ких систем является слежение за ходом автоматизируемого процесса
в объекте и в случае возникновения в нем предаварийного состояния
немедленно автоматически переводить процесс в безопасное состоя
ние и сигнализировать об этом оператору. Подобную же задачу реша
ют системы пожарной и газовой безопасности; системы управления
горелками; системы критических зашит опасных процессов; системы
безопасности компрессоров; системы защиты резервуаров от перелива,
от течи, от повышения давления и температуры; системы защиты окру
жающей среды от загазованности.
Практически, на большинстве предприятий технологических отрас
лей определенная часть производственных объектов оснащается систе
мой ПАЗ.
Важно отметить, что если системы контроля и управления рабочи
ми режимами могут разрабатываться по требованиям заказчиков без
специального согласования с какими-либо нормативами, стандартами и
правилами; то системы ПАЗ обязательно должны соответствовать тре
бованиям и рекомендациям определенных (отмеченных ниже) норма
тивных документов. Однако, как показывают конкретные обследования
систем автоматизации на предприятиях разных отраслей, необходимое,
достаточное соответствие систем ПАЗ изложенным в нормативных до
кументах правилам их разработки и эксплуатации можно увидеть на
предприятиях далеко не часто.
199
14.1. Основные показатели систем ПАЗ
Системы ПАЗ предназначены для обеспечения функциональной
безопасности объектов, достигаемой снижением риска аварийных ситу
аций в любых производственных объектах, в которых обрабатываются
или хранятся токсичные продукты и/или есть взрывоопасность самих
объектов. Под риском понимается комбинация вероятности и послед
ствий аварийной ситуации, а под снижением риска аварийных ситуаций
понимается снижение средней вероятности возникновения таких ситу
аций, которое обеспечивается благодаря работе системы ПАЗ. При этом
оставшаяся вероятность аварийных ситуаций определяется вероятно
стью отказа системы ПАЗ на запрос оператора или на технологическую
причину по переводу объекта в безопасное состояние.
Работа системы ПАЗ достаточно специфична, она должна автома
тически переводить технологический процесс или производственный
объект в безопасное состояние при нарушениях заданных условий его
работы и полностью исключить свое воздействиена процесс/объект
при нормальном режиме его функционирования. Таким образом, в от
личие от всех других управляющих АСУ производственных объектов
система ПАЗ не влияет (не воздействует) на процесс/объект при его
нормальной работе и становится активной только при его аварийном
выходе из заданного нормального режима. Поскольку эта ситуация воз
никает достаточно (или весьма) редко, то добавляется задача проверки
(диагностирования) нормального состояния системы ПАЗ при ее на
хождении в неактивной фазе.
Требуемая величина снижения риска аварийной ситуации опреде
ляется уровнем необходимой защиты (требуемой безопасностью рабо
ты объекта или, (что то же) уровнем ожидаемой надежности работы
объекта) - «Safety Integrity Level», который повсеместно обозначается
аббревиатурой - SIL, а в российских документах часто имеет обозначе
ние - «Уровень Полноты Безопасности» или сокращенно фиксируется
его аббревиатурой - УПБ. Этот уровень полноты безопасности (SIL),
обеспечиваемый системой ПАЗ для разных функций объекта, должен
соответствовать самому высокому требуемому уровню полноты безо
пасности из всех реализуемых системой ПАЗ функций.
Сам риск аварийных ситуаций принципиально оценивается произ
ведением вероятной частоты аварий в объекте на катастрофичность/
стоимость ущерба в результате аварии. Под ущербом понимаются за
траты на компенсацию страховых возмещений потерпевшему персо
налу, стоимость заменяемого оборудования и ремонта помещений,
штрафы за загрязнение окружающей среды, коммерческие потери и,
даже, ущерб репутации предприятия. Поскольку, понимаемые так, ри
ски аварийной ситуации у разных технологических процессов/объектов
200
сугубо различны, то и уровни SIL (УПБ) у них будут разные.
Принимаются четыре категории рисков, задаваемые особенностями
возможной аварийной ситуации. Эти категории фиксируются соответ
ствующим уровнем полноты безопасности работы объекта - SIL (УПБ):
- категория риска типа катастрофы, тогда необходима защита по
уровню SIL 4,
- категория риска типа смерти обслуживающего объект персонала,
тогда зашита по уровню SIL 3,
- категория риска типа травматизма персонала и повреждений обо
рудования, тогда защита по уровню SIL 2,
- категория риска типа повреждений оборудования и продукции,
тогда зашита по уровню SIL 1.
Уровень SIL, в свою очередь, определяет требуемую надежность ра
боты системы ПАЗ, т. е. требуемую среднюю вероятность отказа от пе
ревода процесса/объекта в безопасное состояние. В результате работы
необходимой системы ПАЗ риск аварийной ситуации должен снижать
ся до остаточного приемлемого уровня.
Поясняет влияние заданного уровня SIL на снижение риска аварии
нижеследующая таблица:
Требуемая средняя
вероятность отказа
системы ПАЗ на
запрос
Фактор
снижения
риска аварии
Уровень
защиты
Содержание
требуемой защиты
SIL4
Защита от катастрофы
От 10’5 до 10’4
От 10 000
до 100000
SIL3
Защита персонала от
смерти
От 10^ до 10’3
От 1000
до 10 000
SIL2
Защита оборудования
и персонала от травм
От 10'3 до 10'2
От 100 до 1000
SIL 1
Защита оборудования
от повреждений
От 10'2до 10 1
От 10 до 100
14.2. Руководящие документы по созданию
и эксплуатации систем ПАЗ
Системы ПАЗ, в отличие от других разновидностей систем авто
матизации производственных объектов, должны соответствовать тре
бованиям, указаниям, правилам и рекомендациям, изложенным в ниже
отмеченных документах. При их перечислении в данном разделе главы
выделены и кратко рассмотрены те положения, которые имеют наиболее
201
важное значение при создании и эксплуатации конкретных систем
ПАЗ производственных объектов предприятий технологических отрас
лей промышленности.
Основополагающими документами по построению и эксплуата
ции указанных систем являются утвержденные в РФ международные
стандарты: ГОСТ Р МЭК 61508-2012 «Функциональная безопасность
электрических, электронных и программируемых электронных систем,
связанных с безопасностью» [1] и базирующийся на нем и поясняющий
его применение для предприятий перерабатывающих отраслей ГОСТ Р
МЭК 61511-2011 «Системы обеспечения функциональной безопасно
сти: для перерабатывающих отраслей промышленности» [2].
ГОСТ Р МЭК 61508-2012: Функциональная безопасность электри
ческих, электронных и программируемых электронных систем, свя
занных с безопасностью
Данный ГОСТ рассматривает функциональную безопасность того
класса систем, к которому принадлежат системы автоматизации про
изводственных объектов. ГОСТ состоит из семи отдельно выпущенных
частей:
7 часть стандарта. Общие требования.
2 часть стандарта. Требования к электрическим/электронным/
программируемым электронным системам, связанным с
безопасностью.
3 часть стандарта. Требования к программному обеспечению.
4 часть стандарта. Термины и определения.
5 часть стандарта. Рекомендации по применению методов
определения уровней полноты безопасности.
6 часть стандарта. Руководство по применению.
Руководящие указания в ней базируются на использовании
известных пользователю стандарта средних вероятностей отказов
по запросу датчиков, логической подсистемы ПАЗ (контроллеров),
исполнительных комплексов при разной их архитектуре: разных
вариантов резервирования и диагностики. Считается известной
интенсивность обнаруженных и необнаруженных опасных отказов.
7 часть стандарта. Методы и средства.
Рассмотрены методы случайного отказа оборудования, методы
исключения систематических отказов, методы достижения полноты
безопасности программного обеспечения, вероятностный метод
определения полноты безопасности предварительно разработанных
программных средств.
202
ГОСТ Р МЭК 61511-2011: Системы обеспечения
функциональной безопасности: для перерабатывающих
отрасл е и прол f ы шл енност и
Стандарт призван конкретизировать подход к обеспечению без
опасности, изложенный в стандарте ГОСТ Р МЭК 61508, для про
изводственных процессов и объектов перерабатывающих отраслей
промышленности, т. е. непосредственно относится к производственным
объектам предприятий технологических отраслей промышленности. В
значительной степени он предназначен для проектных организаций.
Стандарт состоит из трех отдельно выпущенных частей:
1 часть стандарта. Требования к системе, аппаратному и про
граммному обеспечению.
Важнейшие положения 1-ой части стандарта.
Система ПАЗ состоит из совокупности связанных между собой
датчиков и исполнительных устройств, между которыми находится
центральная часть системы, которой является логической устройство,
например контроллер (ПЛК).
Требования оценки опасности и степени риска аварийной ситуации
для каждой функции, реализуемой системой ПАЗ, должны определять
ся комиссией, состоящей из проектанта системы; поставщика средств
автоматизации для нее; заказчика системы, ответственного за эксплуа
тацию системы на предприятии; подрядчика работ по внедрению систе
мы. Стандарт указывает, что при выработке требований необходим учет
всех компонентов системы ПАЗ и также учет человеческого фактора.
Стандарт не определяет должности лица, ответственного за выполне
ние всех требований к достижению функциональной безопасности, он
лишь отмечает, что это не должен быть человек, участвующий в проек
тировании системы. В анализе опасностей и рисков должны принимать
участие службы технолога и КИПиА.
При разработке требований к системе ПАЗ должны быть
предусмотрены:
- описания каждого опасного события, включая возможные ошибки
персонала;
- оценка последствий и правдоподобности опасных событий;
- рассмотрение условий вариантов функционирования объекта:
его пуска, нормальной работы, останова, обслуживания, аварийного
останова;
- требуемое снижение риска (требуемая защита: уровень SIL) для
каждой функции системы ПАЗ.
В частности, должны быть не забыты требования к следующим
свойствам системы ПАЗ:
203
- описание измерений состояния объекта, которые должны быть
предусмотрены в системе;
- описание исполнительных воздействий, которые система должна
реализовать на объекте при наступлении предаварийных событий;
- описание алгоритмов защиты, которые должны быть реализованы
в системе;
- требуемые реакции на предаварийные события: останов объекта,
сигнал оператору, останов и сигнал оператору;
- необходимое быстродействие системы;
- требования к прикладному программному обеспечению системы;
- интервал времени между тестовыми испытаниями системы во
время ее эксплуатации;
- требуемое среднее время ремонта системы;
- предельные значения параметров окружающей среды, в интерва
лах которых должна нормально работать система;
- максимально допустимая частота ложных срабатываний системы.
Отдельно в 1-ой части стандарта зафиксированы требования к про
ектированию системы ПАЗ:
- из всех функций контроля и управления объектом должны быть
выделены функции безопасности, которые составят содержание систе
мы ПАЗ;
- в том случае, если нельзя показать, что функции безопасности с
более низким уровнем SIL не могут влиять негативно на функции с
более высоким уровнем S1L, система ПАЗ должна проектироваться по
самому высокому уровню SIL, имеющемуся у выделенных функций
безопасности;
- проектирование должно учитывать задачи, которые решают опе
раторы по функциям безопасности, и имеющиеся у них ограничения;
- должна быть предусмотрена непрерывность электропитания си
стемы ПАЗ;
- кроме заложенных в проект воздействий по автоматическому оста
нову процесса при возникновении предаварийной ситуации, должны
быть предусмотрены ручные средства останова процесса оператором;
- все средства системы ПАЗ должны быть отказоустойчивыми (ре
зервируемыми) и доказательствами пригодности средств является их
сертификация по требуемому уровню SIL и известный опыт их эксплу
атации в аналогичных условиях;
- должны быть подвергнуты оценке на функциональную безопас
ность инструментальные средства разработки и тестирования системы
ПАЗ, частота проведения проверки работоспособности системы ПАЗ
аудитом независимого персонала, процедуры управления внесения
204
изменений в систему ПАЗ.
2 часть стандарта. Руководство по применению стандарта МЭК
61511-1.
Целью этой части стандарта является показ того, как надо
выполнять указания 1-ой части стандарта.
3 часть стандарта Руководство по определению требуемых
уровней полноты безопасности (S1L).
В этой части приводятся описания различных методов
определения требуемого уровня S1L:
- полу количественный метод;
- метод матрицы слоев безопасности;
- качественный метод: граф риска.
Системы ПАЗ должны базироваться на утвержденном Федеральной
службой по экологическому, технологическому и атомному надзору
(приказ от 11 марта 2013 года N 96) нормативном документе о
федеральных нормах и правилах в области промышленной безопасности:
«ОБЩИЕ ПРАВИЛА ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ
ДЛЯ ВЗРЫВОПОЖАРООПАСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ,
НЕФТЕХИМИЧЕЗ НИХ И НЕФТЕЙЕР ЕРА БА БЫВАЮЩИХ
ПРОИЗВОДСТВ» /3].
Ниже выделены наиболее важные положения этого документа, ка
сающиеся создания и эксплуатации конкретной системы ПАЗ. Номера
этих положений соответствуют номерам статей рассматриваемого
документа.
3.10. Для взрывоопасных технологических процессов должны пред
усматриваться системы ПАЗ, предупреждающие возникновение аварии
при отклонении от предусмотренных технологическим регламентом
на производство продукции предельно допустимых значений параме
тров процесса во всех режимах работы и обеспечивающие безопасную
остановку или перевод процесса в безопасное состояние по заданной
программе.
3.11. Системы ПАЗ включаются в общую автоматизированную си
стему управления технологическим процессом (далее — АСУТП).
6.3.2. Системы ПАЗ функционируют независимо от системы управ
ления технологическим процессом. Нарушение работы системы управ
ления не должно влиять на работу системы ПАЗ.
6.3.3. Система ПАЗ выполняет следующие функции:
- автоматическое обнаружение потенциально опасных изменений
состояния технологического объекта или системы его автоматизации;
- автоматическое измерение технологических переменных, важных
205
для безопасного ведения технологического процесса (например, из
мерение переменных, значения которых характеризуют близость объек
та к границам режима безопасного ведения процесса);
- автоматическая (в режиме on-line) диагностика отказов, возникаю
щих в системе ПАЗ и (или) в используемых ею средствах технического
и программного обеспечения;
- автоматическая предаварийная сигнализация, информирующая
оператора технологического процесса о потенциально опасных измене
ниях, произошедших в объекте или в системе ПАЗ;
- автоматическая защита от несанкционированного доступа к пара
метрам настройки и (или) выбора режима работы системы ПАЗ.
6.3.6. ... не допускается использовать в качестве источников инфор
мации для систем ПАЗ одни и те же датчики, которые применяются в
составе других подсистем АСУТП (например, в системе автоматиче
ского регулирования, в системе технологического или коммерческого
учета).
6.3.7. Для объектов... не допускается использовать в качестве ис
полнительных устройств систем ПАЗ одни и те же устройства, которые
предусмотрены в составе другой подсистемы АСУТП (например, в си
стеме автоматического регулирования).
6.3.9. В системах ПАЗ не допускается применение многоточеч
ных приборов контроля параметров, определяющих взрывоопасность
процесса.
6.3.10. Проектирование системы ПАЗ и выбор ее элементов осу
ществляются исходя из условий обеспечения работы системы в процес
се эксплуатации, обслуживания и ремонта в течение всего жизненного
цикла защищаемого объекта.
6.3.11. Показатели надежности, безопасности и быстродействия си
стем ПАЗ определяются разработчиками систем с учетом требований
технологической части проекта.
6.3.12. Время срабатывания системы защиты должно быть таким,
чтобы исключалось опасное развитие возможной аварии.
6.3.13. К выполнению управляющих функций систем ПАЗ предъяв
ляются следующие требования:
- команды управления, сформированные алгоритмами защит (бло
кировок), должны иметь приоритет по отношению к любым другим
командам управления технологическим оборудованием, в том числе к
командам, формируемым оперативным персоналом АСУТП (если иное
не оговорено в техническом задании на ее создание); срабатывание од
ной системы ПАЗ не должно приводить к созданию на объекте ситу
ации, требующей срабатывания другой такой системы; в алгоритмах
срабатывания защит следует предусматривать возможность включения
206
блокировки команд управления оборудованием, технологически свя
занным с аппаратом, агрегатом или иным оборудованием, вызвавшим
такое срабатывание.
6.3.14. В системах ПАЗ и управления технологическими процесса
ми ... должно быть исключено их срабатывание от кратковременных
сигналов нарушения нормального хода технологического процесса, в
том числе и в случае переключений на резервный или аварийный источ
ник электропитания.
6.3.15. В проектной документации, технологических регламентах
на производство продукции и перечнях систем ПАЗ взрывоопасных
объектов наряду с уставками защиты по опасным параметрам должны
быть указаны границы критических значений параметров.
6.3.16. Значения уставок систем защиты определяются с учетом по
грешностей срабатывания сигнальных устройств средств измерения,
быстродействия системы, возможной скорости изменения параметров.
При этом время срабатывания систем зашиты должно быть меньше
времени, необходимого для перехода параметра от предупредительно
го до предельно допустимого значения. Конкретные значения уставок
приводятся в проекте и технологическом регламенте на производство
продукции.
6.3.17. ... предусматривается предаварийная сигнализация по преду
предительным значениям параметров, определяющих взрывоопасность
объектов.
6.3.18. В случае отключения электроэнергии или прекращения пода
чи сжатого воздуха для питания систем контроля и управления системы
ПАЗ должны обеспечивать перевод технологического объекта в безо
пасное состояние. Необходимо исключить воз-можность произвольных
переключений в этих системах при восстановлении питания. Возврат
технологического объекта в рабочее состояние после срабатывания си
стемы ПАЗ выполняется обслуживающим персоналом по инструкции.
6.3.19. Исполнительные механизмы систем ПАЗ, кроме указателей
крайних положений непосредственно на этих механизмах, должны
иметь устройства, позволяющие выполнять индикацию крайних поло
жений в помещении управления.
6.3.21. Показатели надежности систем ПАЗ устанавливаются и про
веряются не менее чем для двух типов отказов данных систем: отказы
типа «несрабатывание» и отказы типа «ложное срабатывание».
6.3.23. Все программные средства вычислительной техники, пред
назначенные для применения в составе любой системы ПАЗ, подлежат
обязательной проверке на соответствие требованиям, указанным в ТЗ,
которая проводится их изготовителем или поставщиком по программе,
согласованной с заказчиком системы ПАЗ.
207
6.3.24. Перечень контролируемых параметров, определяющих
взрывоопасность процесса в каждом конкретном случае, составля
ется разработчиком процесса и указывается в исходных данных на
проектирование.
6.4.1. Для контроля загазованности по предельно допустимой кон
центрации и нижнему концентрационному пределу распространения
пламени в производственных помещениях, рабочей зоне открытых
наружных установок должны предусматриваться средства автомати
ческого непрерывного газового контроля и анализа с сигнализацией,
срабатывающей при достижении предельно допустимых величин и с
выдачей сигналов в систему ПАЗ. При этом все случаи загазованно
сти должны регистрироваться приборами с автоматической записью и
документироваться.
ГОСТы по управлению надежностью и менеджменту риска
Важное значение для анализа возможного повышения надежности
работы систем ПАЗ имеют ниже указанные стандарты, которые рассма
тривают различные аспекты снижения рисков и повышения надежно
сти производственных систем.
- ГОСТ Р 51901-2002. Управление надежностью. Анализ риска
технологических систем [4].
- ГОСТ Р 51901.2-2005. Менеджмент риска: системы менеджмента
надежности.
- ГОСТ Р 51901.3-2007. Менеджмент риска: руководство по
менеджменту надежности.
- ГОСТ Р 51901.4-2005. Менеджмент риска: руководство по
применению при проектировании.
- ГОСТ Р 51901.5-2005. Менеджмент риска: руководство по
применению методов анализа надежности.
- ГОСТ Р 51901.6-2005. Менеджмент риска: Программа
повышения надежности.
- ГОСТ Р 51901.10-2009. Менеджмент риска: Процедуры
управления пожарным риском на предприятии.
- ГОСТ Р 51901.11-2005. Менеджмент риска: исследование
опасности и работоспособности. Прикладное руководство. (Копия
стандарта МЭК 61882: 2001. (HAZOP). Руководство к применению
[5]).
Термин «HAZOP» обозначает исследование опасности и
работоспособности, а под риском (как и во всех документах) понимается
сочетание вероятности появления опасного события и его последствий.
HAZOP предназначено для идентификации потенциальных
208
отклонений от целей проекта (от нормального режима работы
объекта), экспертизы их возможных причин и оценки последствий.
Экспертиза должна производиться под руководством опытного лидера
исследований, гарантирующего всесторонний анализ системы на
основе логических и аналитических заключений.
Подход HAZOP должен определить возможные отклонения
от заданного состояния, причины отклонений, меры устранения
их последствий. Важно не пропустить отклонения, связанные с
взаимодействием нескольких частей (отдельных контуров контроля и
управления) системы, а не просто отклонения одной какой-либо части
(одного контура); а также учесть влияние отклонений одной части
на работу других частей системы. Следует подчеркнуть, что любые
планируемые изменения в системе требуют предварительного анализа
HAZOP.
Рекомендации по составу экспертной группы HAZOP:
- лидер группы, не являющийся проектантом, поскольку иногда в
результате обсуждения в группе в законченный проект требуется вве
сти изменения,
- проектант, разъясняющий проект и объясняющий возможные от
клонения от него;
- пользователь системы, поясняющий текущее состояние системы,
последствия отклонений и степень их опасности;
- эксперт по анализу работы системы;
- представитель ремонтной службы, отвечающий за технической
обслуживание системы;
-регистратор, документирующий все предложения и заключение
группы.
Предлагаемая процедура работы экспертной группы HAZOP:
анализ системы по отдельным элементам и контурам; рассмотрение
условий аварийных режимов нежелательных действий, которые
приводят к отказу системы; прогноз временной деградации системы;
оценки ее надежности, ремонтопригодности, простоты обслуживания.
Этапы работы экспертной группы HAZOP:
- планирование исследований и сбор исходных данных;
- определение заданных состояний и идентификация отклонений от
них, выделение их причин, последствий, механизмов защиты, возмож
ных смягчающих мероприятий;
- оформление результатов.
- ГОСТ Р 51901.12-2007. Менеджмент риска: метод анализа видов и
последствий отказов.
-ГОСТ Р 51901.13-2005. Менеджмент риска: анализ дерева
209
неисправностей.
- ГОСТ Р 51901.14-2007 Менеджмент риска: структурная схема на
дежности и булевы методы.
-ГОСТ Р 51901.15-2005. Менеджмент риска: применение марков
ских методов.
- ГОСТ Р 51901.16-2005. Менеджмент риска: повышение надежно
сти. Статистические критерии и методы оценки.
- ГОСТ Р 52806-2007. Менеджмент риска проектов: общие положе
ния [6].
- ГОСТ Р МЭК 61160-2006. Менеджмент риска: формальный анализ
проекта [7].
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 16085-2007. Менеджмент риска: применение а
процессах жизненного цикла систем и программного обеспечения [8].
14.3. Конкретные особенности построения и эксплуатации
систем ПАЗ
Рассматривая отмеченные положения указанных нормативных
документов и сопоставляя их с существующим практическим
состоянием систем ПАЗ на производственных объектах многих
предприятий технологических отраслей России, можно выделить
основные нестыковки и недоработки реального построения и
эксплуатации систем ПАЗ по отношению к отдельным требованиям
нормативов.
Ниже приводятся те элементы конкретных разработок систем ПАЗ,
которые требуют большего внимания и более тщательного выполнения,
чем это зачастую происходит на практике.
14.3.1. Особенности разработки технического задания
на систему ПАЗ
Разработку требований на систему ПАЗ должна выполнять комис
сия, состоящая из отвечающих за нормальную работу объекта специ
алистов служб технолога, КИПиА, обслуживания оборудования и из
проектантов системы ПАЗ Комиссия должна выделить каждое опасное
событие при работе объекта, оценить его последствия, зафиксировать
функцию его предотвращения или компенсации, указать требуемое
снижение риска (уровень SIL) при возникновении события.
На практике количественная оценка риска, определяемая оценкой
частоты аварий в объекте (как формулируется в нормативных доку
ментах), достаточно мало вероятна, поскольку аварии (к счастью) про
исходят весьма редко и для расчета статистически достоверной оценки
риска почти всегда нет достаточного числа исходных данных.
210
Процедура задания риска (уровня SIL) конкретного опасного собы
тия обычно производится комиссией экспертно, с учетом мнений разра
ботчиков технологического процесса и производителей используемого
в объекте оборудования.
В разработанном комиссией техническом задании на систему ПАЗ
должны быть отмечены следующие ее свойства:
- описание реализуемых системой ПАЗ функций при всех режимах
и этапах работы объекта (пуск, работа, перевод с одного режима на дру
гой, останов ит. п.) и параметров функций: их скорости реализации,
точности выполнения;
- уровень безопасности для каждой реализуемой функции, опреде
ляющий ответственность реализации функции для обеспечения безо
пасности объекта;
- интегральный уровень безопасности (Safety Integrity Level), кото
рый должен обеспечиваться программируемым логическим контрол
лером системы ПАЗ (он должен соответствовать самому высокому
уровню безопасности, реализуемых в системе ПАЗ функций);
- допустимая частота ложных срабатываний системы ПАЗ (послед
ние не приводят к аварийной ситуации, но вызывают определенные ма
териальные потери);
- подтверждение сертификации заданного уровня безопасности
SIL для всех компонентов системы ПАЗ каждой конкретной функции
защиты.
Важно отметить, что документ результата работы комиссии должен
по обоснованности своих решений удовлетворять вышеуказанным
нормативам и может быть подвергнут анализу Ростехнадзора.
14.3.2. Свойства, которые должны быть учтены в проекте на
систему ПАЗ:
- полная автономность системы ПАЗ от всех других подсистем АСУ
ТП: все ее средства (датчики, контроллер, исполнительный комплекс,
объединяющая их сеть), не реализуют никаких посторонних ПАЗу
функций контроля и управления;
-выделенное от других систем электропитание средств системы
ПАЗ и его резервирование;
- значения параметров системы ПАЗ: точность, время реагирования
на возникшую предаварийную ситуацию, предельные характеристики
окружающей среды и т. п.;
- интерфейс связи системы ПАЗ с оператором для сигнализации о
наступлении предаварийного состояния и момента включения систе
мы ПАЗ в работу. При отказе системы ПАЗ сигнализация оператору о
211
необходимости ручного управления;
- преимущественное использование датчиков и исполнительных
комплексов с самодиагностикой, контроллеров с двойным и тройным
модульным резервированием по схеме с голосованием, или контролле
ров с двойным резервированием и диагностикой, или использование
контроллеров в режиме “пара и резерв”, когда пара контроллеров рабо
тает параллельно, а вторая пара находится в горячем резерве и, если у
первой пары в какой-то момент выходные сигналы начинают не совпа
дать, то работа безударно переключается на вторую пару, а первая тести
руется на предмет выявления неисправности в одном из контроллеров;
- заданный интегральный уровень безопасности SIL, который дол
жен обеспечиваться системой ПАЗ, подтверждается обязательной
сертификацией всех компонентов системы ПАЗ на возможность их
применения в системе ПАЗ заданного уровня SIL. Сертификация любо
го средства автоматизации на работу в системе ПАЗ заданного уровня
SIL, которая подтверждает соответствие средства требованиям стан
дарта ГОСТ Р МЭК 61508-2012, производится независимым сертифи
цирующим агентством TUV Rheinland GmbH и его подразделениями в
разных странах, в том числе в России. В США подобную сертифика
цию проводит агентство EXIDA;
- реализуется надежный интерфейс связи ПТК системы ПАЗ с опе
ратором, который необходим для сигнализации о наступлении преда
варийного состояния и о моменте включения системы ПАЗ в работу,
а также для выполнения команд оператора по пуску/останову объекта.
При отказе системы ПАЗ специальная, надежная сигнализация об этом
событии указывает оператору о необходимости ручного управления;
- связи системы ПАЗ с другими системами автоматизации данного
объекта допускаются, только если они не нарушают заданных функций
защиты и не могут изменить данные и программы системы ПАЗ;
- типовой набор прикладных программ, реализуемых в ПТК систе
мы ПАЗ, состоит из анализа контролируемых в объекте величин, опре
деляющих возможные неисправности в работе объекта, которые могут
привести к аварии; выявления возникающих нарушений, имеющих
предаварийный характер, и немедленной реакции на них в виде управ
ляющих воздействий на взаимосвязанные исполнительные механизмы
объекта, переводящие автоматизируемый объект в безопасное состоя
ние. Управляющие программы системы ПАЗ, являющиеся логически
ми блокировочными схемами, обычно реализуются на языке Ladder
Logic Diagrams (лестничных диаграмм) и тщательно тестируются, и
сертифицируются;
- операционная система контроллера является системой жесткого
реального времени, точно обеспечивающая заданное время выполнения
212
анализа измеряемых величин и реализации управляющих функций;
- кроме заложенных в проект воздействий по автоматическому оста
нову процесса при возникновении предаварийной ситуации, должны
быть предусмотрены ручные средства останова процесса оператором;
- проект должен учитывать функции безопасности и предотвраще
ния аварий, которые решают операторы.
14.3.3. Требования, которые должны быть указаны в
документации по эксплуатации системы ПАЗ:
- должны быть зафиксированы периоды необходимых проверок ра
ботоспособности системы ПАЗ и ее отдельных компонентов; включая
контроль сети ПАЗ, тестирование прикладного программного обеспе
чения системы и рабочих характеристик исполнительного механизма,
мониторинг работоспособности клапанов или других регулирующих
органов путем задания их частичного хода. Следует отметить, что осо
бенное значение имеет мониторинг клапанов, (в большинстве случаев
наиболее важных н наименее надежных компонентов системы). Их те
стирование на неполный ход в пределах 5-10% от диапазона полного
закрытия целесообразно повторять наиболее часто;
-сигналы тревоги при возникновении предаварийных ситуаций
следует передавать как операторам, так и обслуживающему оборудова
ние объекта персоналу;
- процедуры и правила внесения изменений в систему ПАЗ при
любой модернизации автоматизируемого объекта должны регистриро
ваться с указанием следующих данных: содержания изменений, даты и
времени внесения изменений, причины проведения изменений, имени
проводившего изменения лица.
Основными причинами широко распространенного отступления
построенных систем ПАЗ от нормативных документов являются:
-экономия заказчика на проведении процедур анализа риска и
определении конкретных показателей SIL функциям защиты; на приоб
ретении всех компонентов систем ПАЗ, сертифицированных по необ
ходимому уровню SIL; на полную изоляцию системы ПАЗ от системы
контроля и управления объектом (в частности, заказчик приобрел кон
троллер, сертифицированный по уровню SIL 3, и уже считает, что вся
система ПАЗ стала иметь уровень SIL3, что ошибочно);
- недостаточная квалификация организации, разрабатывающей и
проектирующей систему ПАЗ (например, повторяют проекты прошед
ших лет без изменений, касающихся требований нормативных доку
ментов последних лет);
- отсутствие у заказчика или привлеченного системного интегратора
213
органа, который может сформировать четкие, конкретные, полные и
тщательно обоснованные существующими документами технические
требования на систему ПАЗ (например, размыта ответственность за
формирование недостаточно обоснованного задания на систему ПАЗ,
по которому проводится ее создание).
Подробный анализ систем ПАЗ проведен в монографии Ю. Н.
Федорова [9].
Глава 15. Направления развития систем автоматизации
производственных объектов
Происходящее эволюционное развитие указанного класса систем
автоматизации обусловлено как все более ужесточаемыми требовани
ями к качеству и эффективности работы производственных объектов,
которые могут быть достигнуты только за счет их автоматизации; так
и разрабатываемыми, все более совершенными алгоритмами контроля
и управления и все более мощными вычислительными компонентами,
являющимися базой построения средств и систем автоматизации
Для правильной ориентации в выборе средств и системы автомати
зации для конкретного производственного объекта заказчикам необхо
димо достаточно хорошо представлять основные тенденции развития
отдельных средств и систем автоматизации рассматриваемого класса,
чтобы не приобрести недостаточно совершенную и не перспективную
продукцию и, тем самым, не только снизить конкурентоспособность
производства, но и увеличить свои затраты на автоматизацию, ввиду
необходимости через достаточно короткий временной интервал заме
нять ее как морально устаревшую. Необходимо подчеркнуть, что по
этим же причинам при проведении тендера на средства и систему ав
томатизации для производственного объекта одним из важнейших кри
териев должен являться критерий «Современность и перспективность
продукции».
Ниже рассмотрены те наблюдаемые тенденции совершенствования
средств и систем автоматизации производственных объектов, которые
определяют значимые (но, естественно, далеко не все) направления их
развития на ближайшие годы.
15.1. Структурные развития отдельных уровней системы
автоматизации
Ощутимым узким местом часто применяемой структуры си
стемы автоматизации в сложных, объемных и быстродействующих
производственных процессах является ее промышленный уровень: ра
бота контроллеров, когда каждый из них реализует большой комплекс
214
различных по приоритету задач, в жестко заданное для каждой задачи
время. К этим задачам, в частности, относятся опрос датчиков с разным
временем цикла отдельных приборов, выдача управляющих команд ис
полнительным механизмам с разным временем цикла каждому из них,
вычислительная переработка поступающей оперативной информации в
соответствии с заданной программой контроля и управления, прием и
обработка случайных во времени сообщений о происходящих событи
ях, проведение диагностических тестов, обслуживание полевых и про
мышленных сетей, вывод текущей информации в сервер и на рабочие
станции операторов и т. д.. Централизованное решение всех этих разно
образных, разноцикличных по времени исполнения, различных по при
оритетности задач в одном контроллере обуславливает существенную
трудоемкость разработки общей прикладной программы его работы,
сложность тестирования разработанной программы, значительную ве
роятность сбоев и отказов во время эксплуатации программы, особенно
в критические моменты возникновения нештатных ситуаций в автома
тизируемом объекте, когда резко возрастает объем информации, требу
ющий немедленного приема и обработки контроллером.
Расшивкой данного узкого места является преобразование структу
ры промышленного уровня системы автоматизации с централизованной
реализации всех функций контроля и управления в одном контроллере
на подразделение промышленного уровня на два иерархических поду
ровня, контроллеры на которых решают разные по назначению, объему
и сложности задачи (одним из первых четко сформулировал эту пробле
му Н. Плескач [10].
На нижнем подуровне расположены обычно распределенные по про
изводству нано-, микро- и малые контроллеры, решающие отдельные
самостоятельные по информационной связности простейшие, типовые
задачи контроля и управления отдельными узлами, компонентами и
блоками производственного объекта. Функционально распределенная,
децентрализованная структура этого подуровня основывается на выде
лении и реализации задач ПИД регулирования и блокировок в отдель
ных контроллерах. При этом используется общая рекомендация, что
каждую задачу системы автоматизации целесообразно решать на
наиболее низком уровне управления, на котором возможна ее реа
лизация. Такое функциональное распределение прикладных программ
стало достаточно простым из-за широкого распространения достаточно
дешевых нано-, микро- и малых контроллеров, и их возможного разме
щения по отдельным узлам и блокам автоматизируемого объекта, с тем,
чтобы быть возможно ближе к обслуживаемым ими датчикам и испол
нительным механизмам
215
В целом, указанная децентрализация простейших типовых приклад
ных программ и реализующих их контроллеров все более широко рас
пространяется в системах автоматизации производственных объектов.
Происходящая децентрализация решений типовых задач контроля
и управления приводит к тому, что основные большие и даже средние
по мощности контроллеры системы автоматизации освобождаются от
реализации простейших функций контроля и управления. Они все бо
лее полно начинают реализовывать достаточно сложные и существенно
более совершенные алгоритмы контроля, диагностики, оперативного
учета, управления, объемные задачи совместного, взаимосвязанного
управления всеми узлами и блоками производственного объекта Этот
верхний промышленный подуровень контроллеров обычно непосред
ственно не связан с полевыми средствами, а получает необходимую
информацию от контроллеров нижнего подуровня и через них воздей
ствует на производственный процесс. Следует отметить, что разде
лению промышленного уровня на два подуровня способствует охват
системой автоматизации все более объемных и масштабных, распреде
ленных в пространстве производственных объектов, состоящих из ряда
отдельных блоков. В одной системе автоматизации может работать по
рядка 100 контроллеров, каждый из которых может использовать до 64
блоков ввода/вывода, и система может иметь десятки рабочих станций
операторов.
Также начинает подразделяться на иерархические подуровни ин
формационный уровень системы. Формируются иерархические струк
туры серверов и рабочих станций.
Иерархия серверов состоит из центрального, общего сервера
(верхний подуровень), и ряда частных серверов (нижний подуровень):
сервер реального времени, сервер исторических данных, Web сервер,
серверы отдельных частей системы, причем последние типы серверов
могут быть рассредоточены в пространстве.
Иерархия рабочих станций состоит из центральной рабочей стан
ции начальника смены - бригадира операторов производственного объ
екта, координирующего работу отдельных блоков агрегата и имеющих
подчиненных ему операторов отдельных блоков агрегата, каждый из
которых использует свою рабочую станцию определенного блока.
Указанные тенденции развития системы автоматизации есть мед
ленно протекающий эволюционный процесс, постепенно приводя
щий к созданию единых постов управления не только отдельными
агрегатами, а целыми цехами, а в ряде случаев и к построению еди
ной операторной для управления всем производством, что, кстати,
216
значительно уменьшает нагрузку на операторов отдельных производ
ственных объектов.
15.2. Перспективы слияния промышленного
и информационного уровней системы автоматизации
Следует обратить внимание на перспективное предложение по ко
ренному изменению структуры системы автоматизации, которое прин
ципиально должно сказаться на повышении надежности работы всей
системы управления. Оно высказывается рядом авторов и, в частности,
рассмотрено в статье [11]. Это изменение заключается в соединении
информационного (серверы и рабочие станции операторов) и промыш
ленного (контроллеры с выносными блоками ввода/вывода) уровней
системы и в использовании в объединенном уровне единой цифровой
сети, равноправными узлами которой являются и рабочие станции, и
серверы, и контроллеры, и снабженные микропроцессорами выносные
блоки ввода/вывода (последние уже не принадлежат определенным
контроллерам, а могут взаимодействовать с любыми узлами этой сети).
При этом само понятие контроллера, как преобразователя информации
между жестко закрепленными за ним датчиками и исполнительными
механизмами, размывается, поскольку любой оснащенный микропро
цессором блок ввода/вывода принципиально может обращаться к лю
бым контроллерам, серверам и рабочим станциям на сети, в которых
имеется программа необходимого для этого блока преобразования ин
формации. Это создает возможность резервирования функций перера
ботки измерительной информации за счет их реализации в различных
подключенных к сети вычислительных средствах без ввода в отдельные
контроллеры специальных резервных компонентов.
Таким образом, данная структура может позволить создавать высо
конадежные и, в то же время, более дешевые системы автоматизации.
15.3. Ограниченные варианты структуры системы
автоматизации при наличии встроенных
в оборудование средств автоматики
Все большее распространение получают средства автоматизации
полевого уровня (датчики, регулирующие органы и позиционеры),
встроенные в оборудование производственных объектов. Они
смонтированы в общие конструктивы оборудования его производителем,
являются его неотъемлемыми компонентами и поступают заказчику
готовыми к эксплуатации. Благоприятствующими обстоятельствами
для такого решения в части датчиков является появление миниатюрных
датчиков объемом в несколько мм3 для измерения различных,
217
распространенных режимных величин технологических процессов и
параметров среды: температуры, давления, влажности и т. п.. Причем
в этот объем датчика входит как сам сенсор, так и необходимый
вычислительный ресурс для преобразования измеряемого сигнала в
цифровую форму, его обработки и передачи в полевую проводную или
беспроводную сеть. Создание миниатюрных датчиков проводится на
базе как повсеместных, так и новых методов измерения и параллельно
ведет к увеличению точности и качества работы приборов.
Широкое распространение встроенных в оборудование средств
автоматизации полевого уровня, в первую очередь датчиков,
жестко задает структуру полевого уровня системы автоматизации:
средства полевого уровня становятся не внешними дополнениями
производственного объекта, а его неотъемлемыми частями.
В этих случаях область разрабатываемой системы автоматизации
значительноссужается и охватывает, в основном, только средний и
верхний уровень, т. е. выбор ПТК.
Принципиально, решение встраивать средства полевого уровня в
оборудование является перспективным и эффективным, т. к. редко ког
да создатели системы автоматизации лучше разработчика технологиче
ского процесса и проектанта, комплектующего для него оборудование,
представляют, что, как и с какой точностью надо контролировать, а так
же как и с какой надежностью надо реагировать на текущие значения
контролируемых величин.
15.4. Интернет структуры системы автоматизации
Широко распространяющиеся в мире облачные вычисления (Cloud
Computing) начинают внедряться и в системы управления производ
ственными объектами [12].
Применяемые способы обслуживания различных пользователей
(хранения и обработки их данных) через Интернет в едином центре об
работки данных, заложенные в облачной технологии:
- универсальный доступ пользователей к центру от любых терми
нальных устройств пользователя;
- собственное управление пользователями обслуживанием центром
своих данных: необходимая скорость доступа к центру и время обра
ботки выданной ему информации; необходимые объем и структура хра
нимых в центре данных;
- возможность пользователю в любой момент времени расширить
или сузить предоставляемые центром услуги, а их оплата определяется
потребленными ресурсами центра;
- освобождение пользователя от необходимости разрабатывать,
218
приобретать и обслуживать собственные технические и программные
средства все это создают необходимые условия все более широкого распро
странения облачных технологий хранения и обработки информации в
системах автоматизации производства.
Облачная технология использует разные структуры обслуживания
пользователей:
- пользователь может использовать обработку своих данных при
кладным программным обеспечением центра: Software-as-a-Service
(SaaS);
- пользователь может использовать в центре собственное приклад
ное программное обеспечение: Platform-as-a-Service (PaaS);
- пользователь может управлять всеми функциями хранения и обра
ботки своих данных в центре: Infrastructure-as-a-Service (laaS).
Применение облачной технологии при построении системы авто
матизации производственного объекта обычно тормозится необходи
мостью иметь реакцию на текущие значения измеряемых величин в
реальном времени, т. е. через гарантированно малый интервал времени,
что трудно достижимо при обработке измеряемых данных в весьма про
странственно удаленном от объекта центре. Однако, в последнее время
наметилась возможность использования облачной технологии для ряда
систем контроля и управления рабочими режимами достаточно инер
ционных производственных процессов с медленно изменяющимися во
времени значениями измеряемых величин. Эта возможность ориенти
рована на взаимодействие облачной технологии с Интернетом вещей.
Интернет вещей (Internet of Things /1оТ/) определяет связь различ
ных физических объектов, имеющих интерфейсы к цифровым беспро
водным сетям, между собою с целью межмашинного взаимодействия
при решении различных задач.
Новое направление взаимодействия облачной технологии с интер
нетом вещей (так называемые туманные вычисления /Fog Computing/)
позволяет использовать облачную технологию не в центре обработки
данных, а во взаимодействующих между собою компьютерах отдель
ных систем, распределенных в пространстве данного предприятия. Это
объединяет облачную технологию с интернетом вещей и позволяет ту
манным вычислениям с достаточно высокой реактивностью решать за
дачи в реальном времени.
Данное построение структуры системы автоматизации имеет высо
кие шансы широкого распространения; особенно, для достаточно инер
ционных по производственному процессу объектов.
219
Перспективные и совершенные системы автоматизации появляют
ся на предприятии, (при их правильном выборе) либо при внедрении
нового агрегата с установленной в нем системой автоматизации, либо
при постепенной временной замене устаревших морально и физически
систем автоматизации на существующих производственных объектах.
Важно, чтобы заказчики представляли существующие направления раз
вития систем автоматизации, отличали перспективность предлагаемых
к внедрению систем и не приобретали заведомо устаревшие или не со
вершенные средства и системы автоматизации
Следует отметить, что рассмотренные направления развития систем
автоматизации производственных объектов заметно влияют на функци
онирование взаимодействующих с ними операторов:
- с одной стороны все активнее более простые и формализуемые
функции контроля и управления переходят от них к системе автомати
зации, что уменьшает их нагрузку;
- с другой стороны усложнение функционального состава систем
автоматизации требует все более высокой их квалификации, что далеко
не просто обеспечить имеющимся персоналом российских предприя
тий технологического класса.
220
Раздел VI.
Защита средств и систем автоматизации
от внешних воздействий и кибератак
Общие положения
Прежде чем анализировать свойства и характеристики отдельных
классов средств и систем автоматизации любых производственных объ
ектов целесообразно рассмотреть общие условия их функционирования
в различной окружающей атмосферной и, особенно, промышленной
среде, которые касаются любых классов средств и систем. Атмосферная
среда зависит от климатических регионов и по-разному может влиять
на аппаратуру автоматизации, в зависимости от ее конструктивных
особенностей. Промышленная среда по своим характеристикам суще
ственно зависит от отраслевой принадлежности предприятия, от мест
размещения средств и систем на производстве, от помех разного типа
на конкретном предприятии, поэтому степень защиты от ее воздействий
является необходимой качественной характеристикой любых средств и
систем.
Обычно современная аппаратура автоматизации, которая большей
частью располагается непосредственно в цехах предприятия (включая
основные технические компоненты АСУТП: контроллеры, датчики, ис
полнительные механизмы и т.д ), рассчитана на работу в широких диа
пазонах атмосферных параметров и достаточно защищена от различных
вредных свойств окружающей промышленной среды. Производители
технических средств автоматизации выпускают различные варианты
их исполнения, рассчитанные на отдельные климатические зоны, на
разные степени помех, загрязнения, агрессивности, взрывоопасности,
соответствующие реальным свойствам производственного окружения
аппаратуры на предприятиях разных отраслей; а производители про
граммных продуктов отдельное внимание уделяют их безопасности
функционирования и защите от любых несанкционированных измене
ний и вмешательств в работу.
В документации к каждому средству автоматизации существу
ет раздел, в котором фиксируются свойства и диапазоны параметров
окружающей среды по атмосферным показателям и по промышлен
ным помехам разного типа, в которых производитель гарантирует нор
мальную работу средства. Эти свойства и параметры частью имеют в
документации к средству непосредственное описание (например, ука
зывается возможный температурный диапазон среды, не влияющий на
показатели работы средства), но большей частью фиксируются кодами,
221
символами, критериями, пунктами определенного стандарта, класси
фицирующего свойства и параметры какой-то отдельной характери
стики среды (например, имеющаяся защита средства от пыли и влаги
обозначается кодом IP или кодом NEMA). При этом в средствах, произ
водимых в России, обычно используются в соответствующем разделе
документации коды международных и российских стандартов; в сред
ствах европейских производителей - коды международных или евро
пейских стандартов; в средствах американских производителей - коды
международных или американских стандартов. Для перевода кодов
этих стандартов в конкретные, имеющиеся у средства значения защиты
требуется знание содержания соответствующих стандартов.
Пренебрежение этими сведениями при выборе средств и систем ав
томатизации для конкретного производственного объекта может иметь
существенные негативные последствия, например:
- недостаточная защита аппаратуры от конкретного типа взрывоо
пасной ситуации на производстве чревата аварийной ситуацией;
- приобретение аппаратуры, конструктивно рассчитанной для
использования в холодном климате на открытом воздухе, при ее раз
мещении в помещении операторского пульта приведет к излишним
затратам;
- неполная защита информации в промышленной сети и в сервере
системы от электромагнитного и радиоизлучения может исказить пере
рабатываемую информацию и сделать ее недостоверной.
В данном разделе рассматриваются наиболее распространенные,
относящиеся к любым средствам автоматизации производственных
объектов характеристики их работы в окружающей различной атмос
ферной и промышленной среде; приводится содержательная расшиф
ровка указанных в документации к средствам кодов защиты средств
от внешних воздействий; фиксируются рекомендации стандартов по
информационной безопасности работы систем автоматизации.
Поскольку производителями средств являются как российские,
так и зарубежные фирмы, то записанная в их документации кодиров
ка среды соответствует либо российским, либо международным, либо
европейским, либо американским стандартам. Это обстоятельство
заставляет раскрывать коды стандартов, независимо от места их соз
дания и утверждения, если они используются в распространяемых в
России средствах автоматизации.
222
Глава 16. Защита аппаратуры автоматизации
от различных атмосферных воздействий
Есть ряд свойств и показателей окружающей атмосферной среды,
возможный диапазон которых для нормальной работы аппаратуры фор
мулируется в ее документации содержательно, хотя может фиксировать
ся кодами ниже рассмотренного стандарта ГОСТ 15150 [1]. В большей
части средств к непосредственно формулируемым свойствам относятся
температура и влажность среды, реже указывается также и диапазон
давления среды (особенно при использовании аппаратуры в высокогор
ных местностях). Конкретные диапазоны этих свойств указываются в
паспорте каждой единицы аппаратуры и, естественно, имеют разные
значения. Ниже приводятся распространенные для большинства клас
сов технических средств автоматизации диапазоны указанных показа
телей окружающей атмосферной среды.
Контроллеры и их выносные блоки ввода/вывода, датчики, испол
нительные механизмы, промышленная сетевая аппаратура, в подавля
ющем большинстве, работают при температуре окружающей среды в
диапазоне -20-+60°С или в расширенном температурном диапазоне:
-40-+75°С, хотя при специальном исполнении имеется расширение
верхнего предела до +140°С и более. Следует отметить, что основная
погрешность средств измерения фиксируется обычно при окружающей
температуре +20°С, а изменения окружающей температуры для ряда
датчиков вызывают дополнительную погрешность измерения.
Относительная влажность воздуха при нормальной работе боль
шинства классов аппаратуры может колебаться в диапазоне от
0-5 до 90-95% при условии отсутствия конденсата.
Изменения атмосферного давления достаточно редко влияет на
функционирование аппаратуры и обычно изменение атмосферно
го давления в достаточно широких пределах, примерно в диапазоне
84-106 кПа (630-795 мм рт. ст) не сказывается на работе средств
автоматизации.
Сейсмостойкость аппаратуры определяется выполнением особых
требований к ее конструкции, которые исходят из задаваемых факторов
землетрясений и условий установки аппаратуры в месте случающихся
землетрясений:
- возможной интенсивности землетрясений в баллах (от 5-ти до
9-ти баллов);
-расчетной повторяемости землетрясений или расчетного срока
службы аппаратуры;
223
-уровня установки аппаратуры относительно нулевой отметки
местности (0-5 м, 5-10 м, 10-25 м, 25-35 м, 35-70 м).
Эти требования к конструкции аппаратуры, зависимые от варианта
задаваемых факторов, приводятся к требованиям по виброустойчивости
аппаратуры к воздействию синусоидальной вибрации в течение одной
минуты при разных вариантов ее параметров. Конкретная формулиров
ка требований приведена в стандарте ГОСТ 30546.1-98 «Общие требо
вания к машинам, приборам и другим изделиям и методы расчета их
конструкций в части сейсмостойкости».
16.1. Защита аппаратуры при разных климатических
условиях ее работы
Специальный стандарт ГОСТ 15150 [1], последнее изменение в ко
тором датируется 2013 годом, формулирует необходимое исполнение
изделий для различных климатических районов и фиксирует коды в
документации к изделиям, соответствующие климатическим факторам,
на работу в которых рассчитаны данные изделия.
Ниже приводятся фрагменты стандарта, которые касаются подавля
ющего большинства технических средств автоматизации; а также со
ответствующие коды стандарта, которые фиксируются в документации
средств.
Климатическое исполнение средства автоматизации:
- код У- изделие исполнено для умеренного климата,
- код УХЛ - изделие исполнено для умеренного и холодного климата;
- код ТВ - изделие исполнено для влажного, тропического климата;
- код ТС - изделие исполнено для сухого, тропического климата;
- код Т - изделие исполнено для любого тропического климата;
- код О - общеклиматическое исполнение изделия.
Категория размещения средства автоматизации:
- код 1.1 - размещение изделия на открытом воздухе;
- код 2.1 - размещение изделия под навесом или внутри другого
изделия;
- код 3.1 - размещение изделия в закрытом неотапливаемом поме
щении с естественной вентиляцией;
- код 4.1 - размещение изделия в закрытом отапливаемом помеще
нии с кондиционером.
Нормальные рабочие значения температурного диапазона внешней
среды при эксплуатации средства автоматизации:
- исполнение изделия по коду У при его размещении по кодам 1.1
или 2.1, или 3.1 нормально работает в диапазоне температуры внешней
224
среды - от -45°С до + 40°С;
- исполнение изделия по коду УХЛ при его размещении по кодам 1.1
или 2.1, или 3.1, или 4.1 нормально работает в диапазоне температуры
внешней среды - от -60°С до + 40°С;
- исполнение изделия по коду ТВ при его размещении по кодам 1.1
или 2.1, или 3.1, или 4.1 нормально работает в диапазоне температуры
внешней среды - от +1 °C до + 40°С;
- исполнение изделия по кодам ТС или Т при его размещении по
кодам 1.1 или 2.1, или 3.1, или 4.1 нормально работает в диапазоне тем
пературы внешней среды - от -10°С до + 50°С;
- исполнение изделия О при его размещении по кодам 1.1 или 2.1,
или 3.1, или 4.1 нормально работает в диапазоне температуры внешней
среды - от -60°С до + 50°С;
Нормальные рабочие значения относительной влажности воздуха
внешней среды в сочетании е ее определенной температурой при экс
плуатации средства автоматизации:
- исполнение изделия по коду У или УХЛ при его размещении по
кодам 1.1 или 2.1, или 3.1 нормально работает при среднегодовой отно
сительной влажности 75%, замеренной при температуре +15°С, и при
верхнем значении относительной влажности 100%, замеренной при
температуре +25°С;
- исполнение изделия по коду ТС при его размещении по кодам 1.1
или 3.1, или 4.1 нормально работает при среднегодовой относительной
влажности 40%, замеренной при температуре + 27°С, и при верхнем
значении относительной влажности 100%, замеренной при температу
ре + 25°С.
Коды, определяющие возможное содержание в атмосфере на от
крытом воздухе коррозийно- активных агентов при эксплуатации
средств автоматизации:
- код / соответствует условно чистой атмосфере, при которой содер
жание коррозийно-активных агентов: сернистого газа не более 0,025
мг/м , хлоридов менее 0.3мг/м2 в сутки;
- код 11 соответствует промышленной атмосфере, при которой со
держание коррозийно-активных агентов: сернистого газа от 0,025 до
0.31 мг/м3, хлоридов менее 0.3мг/м2х сутки;
- в помещениях возможное содержание коррозийно-активных аген
тов принимают равным 30-60% от соответствующих значений в атмос
фере на открытом воздухе.
Рабочие значения допустимых загрязнений окружающего воздуха,
характеризующих воздействие пыли на средства автоматизации:
225
- размер частиц пыли не более 200 мкм;
- скорость движения пыли до 15 м/с;
- состав частиц пылевой смеси: кварцевый песок не более 70%,
остальные составляющие не нормируются.
Рабочие значения верхней и нижней грант) атмосферного давления
при эксплуатации наземных средств автоматизации:
- значение верхней границы - 106.7 кПа (800 мм РТ. ст );
- значение нижней границы - 86.6 кПа (650 мм РТ. ст.).
Допустимая скорость ветра при эксплуатации наземных средств
автоматизации:
- скорость ветра до 50 м/с.
16.2. Защита аппаратуры автоматики от влаги
и механических частиц
Защита от влаги и пыли в окружающей среде определяется
конструкцией корпуса средства автоматики. Она формулируется в
документации аппаратуры кодами международного стандартаМЭК 52989 или его российского аналога: стандарта ГОСТ 14254-96 «Степени
защиты, обеспечиваемые оболочками - код 1Р» [2], либо кодами NEMA
Национальной ассоциации производителей электротехнической
продукции (National Electrical Manufacturers). Упоминание кода одного
из этих стандартов присутствует практически в каждой документации
к техническому средству автоматизации и заменяет содержательное
описание физических свойств защиты. Описание и взаимное
соответствие кодов этих стандартов приводится ниже.
В наиболее частых случаях распространенные понятия типа “про
мышленное исполнение технического средства” подразумевают защиту
аппаратуры от влаги и механических частиц в окружающей среде, но
поскольку состав и концентрация указанных ингредиентов в окружа
ющей среде могут меняться в широком диапазоне, то и защита от них
имеет ряд соответствующих градаций и поэтому сами понятия типа
“промышленное исполнение прибора” еще ни о чем не говорят, пока не
будет конкретно обозначено - защита от каких именно примесей влаги и
частиц в окружающей среде применена в аппаратуре. Эту конкретность
имеющимся защитным свойствам аппаратуры устанавливают либо ко
дами IPмеждународного стандарта МЭК 529-89, либо кодами NEMA в
соответствии с американскими инструкциями.
Код IP защиты от влаги и механических частиц состоит из двух де
сятичных чисел- ху и обозначается: IP ху,
Где IP - обозначение стандарта,
х - параметр кода в виде десятичной цифры, обозначающий степень
226
защиты от механических частиц,
у - параметр кода в виде десятичной цифры, обозначающий степень
защиты от влаги.
Расшифровка кода степени защиты от механических частиц.
X
Защита от механических частиц
0
защиты нет
1
защита от частиц диаметром более 50 мм
2
защита от частиц диаметром более 12,5 мм
3
защита от частиц диаметром более 2,5 мм
4
защита от частиц диаметром более 1,0 мм
5
пыль может проникать без нарушений работы
6
полная защита от проникновения частиц пыли
Расшифровка кода степени защиты от влаги
У
Защита от влаги
0
защиты нет
1
защита от капель, падающих вертикально
2
защита от капель, падающих под углом до 15°
3
защита от струи воды под углом до 60°
4
защита от брызг со всех сторон
5
6
защита от струи воды со всех сторон
защита от сильного действия струй воды
7
защита при кратком погружении в воду без попадания в корпус
8
защита при длительном погружении в воду
Пример промышленной защиты технического средства, записанной
в его документации как IP 65, расшифровывается следующим образом:
средство имеет полную защиту от проникновения в него пыли и защиту
от струй воды в любое место его корпуса.
Многие производители современной аппаратуры автоматизации
предлагают пользователям вариантность исполнения их корпусов в
градациях от IP 20 до IP 66.
Код NEMA [3], который используется производителями американ
ского континента, захватывает более широкую область. Он в некото
рых случаях расширяет принятое в коде IP понятие защиты, указывая,
еще и на защиту от коррозийных газов, и на защиту от контакта с
227
взрывоопасной атмосферой. Код состоит из десятичного числа (z) и
буквы (а), которые расшифровываются совместно как единое обозначее
ние защиты от всех вредных для прибора компонентов в окружающей
среде, и обозначается: NEMAza.
Расшифровка кода степени защиты от вредных примесей в атмос
фере приведена ниже в таблице.
Параметры кода NEMA
Защита от следующих вредных
компонентов в окружающей
среде
1
12
13
3R
3
4
4Х
6Р
Случайный контакт с другим
оборудованием
X
X
X
X
X
X
X
X
Падающий сор
X
X
X
X
X
X
X
X
Влажность, вызывающая
ржавчину
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Циркулирующая пыль
Ветер с пылью
Брызги и падающая жидкость
X
X
Дождь
X
X
X
X
X
Снег и снежная крупа
X
X
X
X
X
X
X
X
Обливание водой из шланга
Случайное длительное погруже
ние в воду
Просачивание нефтяных и
эмульсионных жидкостей
Разбрызгивание нефтяных и
эмульсионных жидкостей
Наличие в среде агентов,
вызывающих коррозию
X
X
X
X
X
X
Примечания к таблице:
1. Кроме указанных в таблице широко распространенных кодов
имеются также коды защиты от следующих вредных компонентов:
NEMA 2 - ограниченное количество брызг и сора;
NEMA 3S - коррозийная стойкость, краткое погружение в воду;
NEMA 5 - пыль и падающий сор;
NEMA 6 - случайное и кратковременное погружение в воду;
228
NEMA 7- пыль, вода под давлением и ограниченная вероятность
контакта с взрывоопасной атмосферой;
NEMA 8 - защита от пыли, воды под давлением, контакта с взрыво
опасной атмосферой путем погружения аппаратуры в инертную среду;
NEMA 12 - пыль, грязь, капающая неагрессивная жидкость;
NEMA 13 - пыль, грязь, капающая неагрессивная жидкость; но не
допускается ее попадание на заглушки в корпусе.
1. Аппаратура по кодам NEMA 1, NEMA 5, NEMA 12, NEMA
13 предназначена для установки в помещениях; аппаратура по кодам
NEMA 3R, NEMA 3 устанавливается на открытом воздухе; аппаратура
по кодам NEMA 4, NEMA 4Х, NEMA 6Р используется как в помещени
ях, так и вне их.
Пример промышленной защиты средства, записанной в его доку
ментации. Как NEMA 4Х расшифровывается следующим образом: при
бор защищен от контакта с другим оборудованием; от сора и пыли; от
вызывающей ржавчину влажности; от дождя, снега и обливания водой
из шланга; от агентов среды, вызывающих коррозию.
Оба рассмотренных кода: IP и NEMA могут быть приближенно со
поставлены друг с другом. Такое сопоставление кодов важно для по
тенциальных потребителей, т. к. помогает сравнить защитные свойства
технических средств разных фирм, часть которых указывает эти свой
ства в коде IP, а другая - в коде NEMA.
Ниже представлено такое приближенное соответствие кодов [3].
Коды IP
Коды NEMA
20
1
2
3
3R
3S
4
4Х
5
6
6Р
12
13
21
34
52
54
56
65
66
X
X
X
X
X
X
64
67
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
229
16.3. Защита аппаратуры от загрязнений,
влияющих на изоляцию
Защита низковольтной аппаратуры контроля и управления от воз
можных загрязнений, влияющих на изоляцию, формулируется в стан
дарте: ГОСТ Р 50030.1-2007 «Аппаратура распределения и управления
низковольтная» [4], аналогичном международному стандарту МЭК
60947-1.2004. Стандарт касается любых технических средств автома
тизации, в которых аппаратура имеет соединительные проводники: на
пример, средства измерения, контроля, защиты и управления.
В зависимости от вида и степени возможных загрязнений при экс
плуатации средств в них устанавливаются воздушные зазоры и рассто
яния, препятствующие токам утечки.
Указанный в документации к аппарату’ код возможного загрязнения
в виде десятичной цифры, обозначающий имеющуюся степень защиты
данного аппарата от возможного загрязнения соответствует следующим
качественным показателям загрязнения, при которых может нормально
эксплуатироваться данный аппарат:
- код 1 - возможного загрязнения нет или оно сухое, не
токопроводящее;
- код 2 - возможное
загрязнение
не
токопроводящее,
но допустима временная конденсация влаги;
- код 3 - возможно токопроводящее загрязнение или не токопрово
дящее, но которое может стать токопроводящим вследствие ожидаемой
конденсации влаги;
- код 4 - возможно загрязнение с устойчивой проводимостью (токо
проводящая пыль, дождь, снег).
При отсутствии в документации к аппарату промышленного приме
нения указаний на возможную степень его загрязнения при эксплуата
ции считается, что он рассчитан на степень загрязнения с кодом 5.
Глава 17. Защита аппаратуры автоматизации от вредных
воздействий промышленной среды
Специфическая для каждого предприятия промышленная среда
имеет различные вредные свойства, сказывающиеся на работе
аппаратуры автоматизации. К ним относятся:
- электромагнитные помехи, которые могут исказить результаты
работы аппаратуры автоматизации;
- опасная, с точки зрения возможности возникновения взрывов изза отдельных свойств аппаратуры, окружающая ее среда;
- наличие химических активных газов в промышленной среде, кото
рые могут коррозировать отдельные материалы аппаратуры,
- механические воздействия промышленной среды на аппаратуру:
230
вибрация и удары.
Ниже рассматриваются имеющиеся у аппаратуры автоматизации
защиты, позволяющие исключить влияние отдельных вредных воз
действий промышленной среды в определенных пределах, на работу
аппаратуры.
17.1. Защита аппаратуры от электромагнитных помех
Любая аппаратура автоматики, устанавливаемая в промышленных
зонах, контроллеры, выносные блоки ввода/вывода, датчики,
исполнительные механизмы, технические средства промышленных
и полевых сетей, рабочие станции операторов, помещаемые
непосредственно в цехах - должна быть устойчива к электромагнитным
помехам, имеющимся на производственных участках. Конкретнее,
речь идет об аппаратуре, предназначенной для применения в
местах эксплуатации, характеризующихся наличием в них или в
непосредственной близости от них хотя бы одного из следующих
элементов:
- электрической сети, получающей питание от силовых трансфор
маторов высокого или среднего напряжения и питающей промышлен
ное оборудование;
- промышленных высокочастотных устройств, удовлетворяющих
нормам индустриальных радиопомех;
- частых переключений значительных индуктивных и емкостных
нагрузок в электрических сетях,
- значительных величин потребляемых оборудованием токов и свя
занных с ними уровней магнитных полей.
Стандарт IEC 61000-6-2-99 и аутентичный ему ГОСТ Р 51317.6.299 ^Устойчивость к электромагнитным помехам технических
средств, применяемых в промышленных зонах. Требования и методы
испытаний”
[5], устанавливает требования электромагнитной
совместимости
технических
средств.
Под
электромагнитной
совместимостью понимается устойчивость средств к кондуктивным, т.
е. распространяющимся по проводникам электрической сети, помехам
и излучаемым помехам непрерывного и импульсного характера, а также
к электростатическим разрядам. Стандарт определяет приемлемый
уровень помехоустойчивости технических средств, применяемых в
промышленных зонах. Конкретные требования устанавливаются к
портам средства, где под портом понимается граница между средством
и внешней электромагнитной средой.
Уровень устойчивости средств к электромагнитным помехам, как
в период воздействия, так и после прекращения помехи, фиксируется
критериями качества средств. Всего выделяется три критерия качества
функционирования технического средства:
231
- критерий Л - в период воздействия и после прекращения помехи
средство должно продолжать функционировать в соответствии с на
значением, не допуская ухудшения рабочих характеристик ниже мини
мально допустимого уровня;
- критерий В - после прекращения помехи средство должно про
должать функционировать в соответствии с назначением, не допуская
ухудшения рабочих характеристик ниже минимально допустимого
уровня;
- критерий С - допускается временное прекращение выполнения
средством установленной функции при условии, что функция самовосстанавливается или может быть восстановлена с помощью операций
управления, выполняемых оператором.
Ниже в таблицах приведены требования устойчивости к к
электромагнитным помехам по различным типам портов технического
средства, применяемого в промышленной зоне.
Требования к порту корпуса (к физической границе средства, через
которую могут проникать внешние электромагнитные поля).
№
Вид помехи
Значение параметров
помехи
Критерий
качества
1
Магнитное поле
промышленной частоты
30 А/м при 50 гц
А
2
Радиочастотное
электромагнитное поле
10 В/м при 80-1000 Мгц
А
3
Электростатический
контактный разряд
+-4 кВ
В
4
Электростатический
воздушный разряд
+-8 кВ
В
Требования к порту ввода/вывода сигналов (порту, в котором
проводник /кабель/, служащий для передачи информации, подключен
к средству).
№
Микросекундные импульсные помехи
большой энергии: -помеха по схеме
’’провод-земля”;
- помеха по схеме "провод-провод”
+-2кВ
+-1 кВ
В
4
Провалы напряжения электропитания
электропитания на 25 периодов
30%
уменьшения
напряжения
В
5
Прерывания напряжения
электропитания на 250 периодов
Более 95%
уменьше-ния
напряжения
С
6
Прерывания напряжения
электропитания на 5 периодов
Более 95%
уменьше-ния
напряжения
В
7
Выбросы напряжения электропитания
на 25 периодов
20%
увеличения
напряжения
В
КГЦ
233
17.2.3 а щита аппаратуры от взрывоопасной
промышленной среды
На многих предприятиях химии, нефтехимии, нефтепереработки
и других отраслей аппаратура автоматики (например, контроллеры, их
выносные блоки ввода/вывода, датчики и исполнительные комплексы)
помещается в окружающую среду, опасную с точки зрения возмож
ности возникновения взрывов. Обычно такой средой является смесь
воздуха с горючими компонентами: газами, парами, пылью; которые
могут проникать в атмосферу из технологических установок и трубо
проводов. При нормальных рабочих режимах аппаратуры автоматики
в этой среде потенциально возможно возгорание, распространяемое
на занимаемое данной средой объем, поэтому она носит наименование
«Взрывоопасная атмосферная среда». Во всех стандартах по взрывоо
пасным средам она имеет обозначение: £х-зона.
Помещенная в такую среду аппаратура ни в коем случае не долж
на способствовать взрывоопасным ситуациям или создавать условия,
благоприятные для возникновения взрывов, т. е. в ней должна быть ис
ключена возможность образования высокотемпературных участков на
любых аппаратурных частях, соприкасающихся с окружающей средой,
и исключена возможность искрообразования. Любое электрооборудо
вание может быть помещено в Ex-зону только при этих условиях, иначе
оно должно помещаться вне этой зоны.
Барьеры искробезопасности
Чтобы электрическая цепь любого аппарата автоматики, поме
щенного во взрывоопасную зону, была бы взрывозащищенной, она
должна быть ограничена по энергетической емкости (для исклю
чения возникновения высокой температуры на поверхности аппа
рата) и отделена от сети в окружающей, не взрывоопасной среде
барьером искробезопасности, который настолько ограничивает ве
личины напряжения и тока, приходящие в рассматриваемую цепь,
что в цепи практически не может возникнуть образование искры. В
распространенных барьерах искробезопасности это обеспечивает
ся полной гальванической развязкой рассматриваемой цепи от внеш
ней сети. При этом, независимо от токов и напряжений во внешней
сети, в рассматриваемой цепи токи ограничиваются миллиамперами
(0-20 мА), а напряжения - десятком вольт (0-10 В).
234
Конструктивно барьеры искробезопасное™ имеют промышленное
исполнение на широкий диапазон температур, на устойчивость к по
вышенной влажности и запыленности среды. Они маркируются на раз
личную степень взрывоопасности среды.
Средства, удовлетворяющие требованию взрывобезопасности для
разных классов взрывоопасной среды, большей частью в документации
к ним фиксируются определенными кодами. Эти коды почти совпадают
в российских стандартах (ГОСТ Р МЭК 60079, взрывоопасные среды,
35 частей [6]), в комплексе стандартов АТЕХ (Atmosperes Explosibiesвзрывоопасные смеси газов) Европейского комитета по стандартизации
в области электротехники, в стандартах США - ANSI/UL [7].
Ниже разъясняется используемая в этих стандартах кодировка, ее
форма записи и раскрывается содержание конкретных символов кода
по готовности аппарата работать в различных вариантах взрывоопас
ности среды.
Варианты образования взрывоопасной, окружающей аппаратуру
среды при разных режимах работы аппаратуры автоматики:
- В-1 Помещения, в которых газы или пары могут образовывать
с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы
аппаратуры;
- В-la. Помещения, в которых газы или пары могут образовывать
с воздухом взрывоопасные смеси только при авариях или неисправно
стях аппаратуры;
- В-16. Отличия от В-1 а в том, что в помещении нет открытого пла
мени и горючие газы имеются в недостаточных для взрыва концентра
циях. Этот класс можно отнести к не взрывоопасным;
-В-1г. Среда возле технологических установок, содержащих горю
чие газы, которые могут образовывать с воздухом взрывоопасные сме
си при нормальных режимах работы аппаратуры;
- В-2 Помещения, в которых выделяющаяся горючая пыль может
образовывать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режи
мах работы аппаратуры;
- В-2а. Помещения, в которых горючая пыль может образовывать с
воздухом взрывоопасные смеси только при авариях или неисправно
стях аппаратуры.
235
Варианты зон связи взрывоопасности атмосферной среды с нали
чием в ней аппаратуры автоматики'.
- зона 0, в которой взрывоопасная концентрация примесей присут
ствует постоянно, независимо от нахождения в среде аппаратуры;
- зона 1, в которой взрывоопасная концентрация примесей возмож
на при эксплуатации аппаратуры, выделяющей горючие газы или пары;
- зона 2, в которой взрывоопасная концентрация примесей при нор
мальной работе аппаратуры не возникает, но возможна при поврежде
ниях аппаратуры.
Классы аппаратуры автоматики, помещаемые во взрывоопасную
среду:
-1- аппаратура в подземных разработках, при наличии в них руд
ничного газа;
-II- аппаратура в наружной, промышленной взрывоопасной среде.
Последний класс аппаратуры разделяется на подклассы, опреде
ляющие возможности работы аппаратуры в среде с разной энергией
розжига:
- IL4 - аппаратура рассчитана на большую энергию розжига среды:
более 180 микроджоулей;
- ИВ - аппаратура рассчитана на энергию розжига среды 60 - 80
микроджоулей;
-//С-аппаратура рассчитана на малую энергию розжига среды:
менее 60 микроджоулей.
Подкласс ИС является самым строгим и определяет аппаратуру, ко
торая может работать при любой энергии розжига среды.
Варианты степени взрывоопасности среды, определяемые темпе
ратурой ее самовостаменения из-за нахождения в ней взрывоопасных
газов.
Этот код среды определяет до какой максимальной температуры мо
жет доходить любая часть поверхности аппаратуры при окружающей
температуры среды 40°С Эта температура, естественно, должна быть
существенно ниже температу ры, опасной для возникновения взрыва в
данной окружающей среде.
Ниже в таблице приведена классификация среды по температуре ее
воспламенения.
236
Код
среды.
Максимальная температура
поверхности аппарата в0 С
Температура воспламе
нения взрывоопасной
среды в0С
Т1
450
>450
Т2
300
300-450
ТЗ
200
200-300
Т4
135
135-200
Т5
100
100-135
Тб
85
85-100
Варианты требовании к классу аппаратуры, объединяющие взры
воопасность окружающей среды и температуру ее самовоспламенения
по наименованию углеводородных газов, которые могут присутство
вать в атмосфере, окружающей аппаратуру.
Класс оборудования
Код среды
Типовой представитель газа в
атмосфере
НС
Т1
водород
НС
Т2
ацитилен
ПС
Т5
сероуглерод
НВ
Т1
коксовый газ
НВ
Т2
этилен
НВ
ТЗ
сероводород, дизельное топливо
IIB
Т4
диэтиловый и дибутиловый
эфир
НА
Т1
пропан, изобутан, доменный газ
НА
Т2
бутан, этилбензол
ПА
ТЗ
нефть, керосин, бензины
I
Т1
метан
237
Практически почти вся современная аппаратура автоматики отно
сится к электрическому типу, поэтому дальше рассматривается взрывозащищенность электрооборудования. Электрооборудование по
российским стандартам подразделяется по степени взрывозащищенности на следующие уровни:
- уровень 0- наиболее защищенное оборудование со специальными
мерами защиты от взрыва;
-уровень /-взрывобезопасное оборудование, в котором защита
обеспечена при нормальном режиме его работы и при его повреждениях;
-уровень 2 - оборудование, в котором взрывозащита обеспечена
только в нормальном режиме его работы.
В документации на взрывобезопасную аппаратуру фиксируется
принятая в стандартах кодировка конструктивного исполнения аппа
ратуры для обеспечения ее взрывобезопасности.
Она приведена ниже в таблице.
Метод защиты
аппаратуры
отделение
внутренности
аппаратуры от
окружающей
среды
усовершенство
вание механиче
ской разработки
аппаратуры
Реализация метода
Код исполне
ния аппарата
Пример аппара
туры данного
кода защиты
погружение в масло
о
трансформатор
создание в аппаратуре
избыточного давления
Р
анализатор
заполнение аппара
туры специальным
порошком
q
влагомер
герметическая
изоляция
h
герметизация корпуса
аппаратуры
m
конструкция аппаратуры
с усиленными защитными
свойствами (не воспламе
няющаяся конструкция)
е
ограничение потре искробезопасная связь
бляемой аппарату аппаратуры с внешней
средой
рой энергии
контроллер
выносные блоки
ввода/вывода
контроллера
п (зона связи
среды-2)
ia-зона связи
среды-0 или
ib-зона связи
среды-1
связь контролле
ра с приборами
через барьеры
искробезопасности
создание специ
альной оболочки
аппаратуры
огнестойкое исполне
ние аппаратуры
d
насос
Особый метод
специальная
конструкция
S
детектор газа
238
В целом, по стандартам взрывобезопасности, класс взрывобезопас
ного исполнения аппаратуры автоматики имеет форму записи, приве
денную в нижеследующем примере:
II2EExdiaIIAT3,
где последовательно зафиксировано:
П- код, указывающий, что оборудование может работать в наруж
ной, промышленной взрывоопасной среде;
2- код зоны, в которой взрывоопасная концентрация примесей при
нормальной работе аппаратуры не возникает, но возможна при повреж
дениях аппаратуры;
Е- указание, что средство сертифицировано по стандартам на
взрывобезопасность;
Ех - обозначение, что аппарат сертифицирован на работу во взрывоопасносной среде;
dia (ряд строчных букв) - код, определяющий защитные особенно
сти конструкции аппарата (здесь указано: огнестойкое исполнение ап
паратуры и искробезопасная связь аппаратуры с внешней средой);
IL4 - код углеводородных газов, которые могут присутствовать
в атмосфере, окружающей аппарат (здесь указано: например, бутан,
этилбензол);
ТЗ - код, указывающий температурную классификацию аппарата
(здесь указано, что максимальная температура любой части его поверх
ности не превосходит 200°Q.
17.33ащита аппаратуры от химических активных газов в
промышленной среде
На предприятиях многих отраслей (например, химии, нефтехимии,
цветной металлургии) цеховые помещения имеют ту или иную степень
загазованности разными химически активными газами и использова
ние аппаратуры в цехах,являющееся наиболее дешевым и удобным
вариантом построения распределенных систем управления, напрямую
связано с имеющейся у аппаратуры (или, хотя бы, у выносных блоков
ввода/вывода контроллеров и средств полевого уровня) защитой от кор
розии. При этом разные смеси химически активных газов оказывают
разное коррозийное влияние на разные материалы, из которых состоит
аппаратура. Это влияние, кроме непосредственной химической атаки
на материал, зависит еще от влажности воздуха (реакция химически
активных газов с влагой создает новые соединения, увеличивающие
коррозийное влияние) и от сочетания материалов, из которых состо
ит аппаратура (если существует разность электрических потенциалов
между двумя разнородными металлами в аппарате, то возникает в при
сутствии химически активных газов электролитический процесс, уси
ливающий коррозию).
239
Вышеприведенные факторы показывают насколько трудно прак
тически при таком разнообразии коррозирующих условий стандарти
зировать уровни защиты аппаратуры от химически активных газов. В
документации аппаратуры автоматики часто описание возможного на
личия в окружающей среде химически активных газов, при которых
аппаратура может нормально работать, т. е. при которых она защищена
от коррозии, выглядит примерно следующим образом: «Защита от кор
розии: уровень (иногда, класс) G3 по стандарту ANSI/ISA-S71.04» [8].
Ниже приведена расшифровка этого стандарта, позволяющая опреде
лить пригодность рассматриваемой аппаратуры к конкретной промыш
ленной среде.
В стандарте ANSI/ISA-S71.04 коррозийное влияние химически
активных газов в окружающей среде определяют в терминах нормы
коррозийной реакции этой среды с чистой медью. Выбор чистой меди
обусловлен тем фактором, что существуют подробные количествен
ные данные по скорости образования коррозийной пленки на медном
образце, находящемся в различных коррозийных средах. Влияние кор
розийной среды оценивается измерением толщины образовавшейся за
определенное время коррозийной пленки, ее химическим составом,
уменьшением веса медного образца. Прямым измерением коррозийной
активности конкретной окружающей среды является помещение в нее
на один месяц медного образца и замер после этого толщины образо
вавшейся на меди коррозийной пленки.
Стандарт устанавливает четыре уровня химической активности
окружающей среды в зависимости от толщины появившейся на медном
образце коррозийной пленки.
Классификация химической активности окружающей среды.
Уровни активности
среды
Толщина пленки в
ангстремах, образовав
шаяся за месяц нахож
дения
меди в среде
