Современные средства АСУ ТП


О. В. Шишов





                СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АСУ ТП




Учебник







Рекомендовано в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки (квалификация (степень) «бакалавр»)









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 65.011.56(075.8)
ББК 32.966
     Ш55



Рецензент:
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории системных проблем управления и автоматизации в машиностроении Института проблем точной механики и управления РАН, заведующий кафедрой системотехники и управления в технических системах Саратовского государственного технического университета им. Ю. А. Гагарина Д. Ю. Петров








     Шишов, О. В.
Ш55      Современные средства АСУ ТП : учебник / О. В. Шишов. - Москва ;
     Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 532 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0622-2



           Рассматривается широкий спектр технических (аппаратных и программных) средств, предназначенных для построения современных систем управления технологическими процессами - промышленные компьютеры и контроллеры, особенности создания их программного обеспечения, цифровые промышленные сети, возможности организации человеко-машинного интерфейса, устройства связи с объектами и т. д. Определяются задачи различных уровней АСУ ТП и средства для интеграции этих уровней - SCADA-системы и OPC-серверы.
           Для студентов технических направлений подготовки системы высшего образования и специалистов в области автоматизации производства.

УДК 65.011.56(075.8)
ББК 32.966







ISBN 978-5-9729-0622-2

  © О. В. Шишов, 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


    Автоматизация технологических процессов - это процесс развития машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить производительность труда, обеспечить стабильное качество выпускаемой продукции, сократить число рабочих, занятых в различных сферах производства, или долю их ручного труда.
    К фундаментальным сдвигам в области автоматизации привело появление в 70-х годах прошлого столетия микропроцессорной элементной базы. Применение элементов вычислительной техники для организации измерений и обработки данных в различных технических системах позволяет добиться таких качественных показателей, которых нельзя было достичь при применении аналоговой техники -многозадачности, долговременной метрологической стабильности, возможности взаимодействия большого количества разнопланового оборудования. Без применения этой техники мы не смогли бы обеспечить необходимого сегодня уровня ее функциональности, в том числе развитого человеко-машинного интерфейса.
    При широком применении цифровой программируемой техники динамика в мире автоматизации сегодня определена однозначно - это все возрастающая потребность в комплексных решениях. Доминирующей тенденцией развития современных микропроцессорных систем управления является разработка проектов автоматизации для различных областей применения с использованием одинаковых базовых решений и стандартных компонентов. Такие проекты автоматизации должны отличаться низкой стоимостью, простотой обслуживания, минимальными затратами на проектирование.
    Практическую реализацию эта тенденция нашла в выпуске типовых устройств автоматизации в рамках программно-технических комплексов, элементы которых уже при создании ориентируются на возможность совместного использования. В состав этих комплексов, кроме базовых компонентов - промышленных контроллеров и компьютеров, входят компоненты по организации человеко-машинного интерфейса, работы в промышленной сети, устройства связи с объектами технологических процессов.
    Создавать современные системы управления без учета этих тенденций и знания той элементной базы, которая создается с их учетом, просто невозможно. Данная книга ставит своей целью познакомить читателя с широким спектром элементов технической базы современных объектов АСУ ТП. В ней последовательно рассматриваются базовые средства, использующиеся сегодня для построения систем автоматизации - промышленные компьютеры и контроллеры, цифровые промышленные сети, устройства организации человеко-машинного интерфейса, устройства связи с объектами управления. В первую очередь она представляет собой учебник, с помощью которого кто-то откроет для себя мир автоматизации. Однако большой

3

О. В. Шишов

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

фактический материал, который вобрала в себя книга, будет полезен и тем, кто считает себя уже специалистом в этом области.
    Книга содержит большой перечень источников - книг, статей, сайтов, посвященных соответствующей тематике. Обращение к ним позволит читателю получить дополнительную информацию из «первых уст», разобраться в деталях, которые не нашли отражения в этом издании.
    В книге приведено огромное число примеров устройств с указанием их технических характеристик. Автор далек от мысли, что читатель их запомнит или будет пользоваться книгой как справочником. Он надеется, что это позволит каждому выделить наиболее характерные и типовые параметры распространенных классов устройств, что пригодится в повседневной работе.

4

1. УРОВНИ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ И БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА ИХ РЕАЛИЗАЦИИ


    1.1. Уровни автоматизированных систем управления предприятием

    В условиях жесткой конкуренции, динамичного рынка даже самые консервативные или небогатые предприятия не могут позволить себе отказаться от столь мощного средства эволюции, как автоматизация. Выгода от использования современных информационных компьютерных технологий в промышленности очевидна. Эпоха агитации за автоматизацию давно прошла. И теперь предприятие ставит перед собой вопрос: «Как?».
    Вопрос на самом деле не простой и многогранный. Промышленное предприятие - это большой и сложный организм, состоящий из множества подразделений и уровней. Все понимают, что производство будет по-настоящему эффективным только тогда, когда решения будут приниматься оперативно и быстро на каждом рабочем месте - от рабочего в цехе до директора. Для этого предприятие должно представлять собой единую систему, имеющую общее информационное пространство, несмотря на огромную разницу в способах получения и обработки данных в отдельных его подразделениях.
    Возможности и направления развития деятельности общества в области автоматизации объективно привели к появлению устоявшейся общей модели системы автоматизации деятельности предприятия, в которой традиционно выделяют два базовых уровня: АСУП (автоматизированная система управления производством -управленческой и финансово-хозяйственной деятельностью) и АСУ ТП (автоматизированная система автоматизации технологических процессов - управления про-изводческой деятельности).
    Несколько обособленной, но обязательной областью автоматизации выступают САПР (системы автоматизированного проектирования), выполняющие роль сервисного обслуживания и облегчения создания двух основных указанных уровней.
    АСУП и АСУ ТП долгое время развивались хотя и параллельно, но в основном обособленно и независимо друг от друга. Они проектировались и создавались, исходя из требований разных подразделений, автономно обслуживая разные службы предприятия. Изначально они не были подчинены единым целям и задачам, физически и информационно оставались слабо связанными.
    АСУП были изначально ориентированы на поддержку бизнес-процессов и не могли оперативно реагировать на реальные внутризаводские проблемы производства. Системы автоматизированного управления и планирования производством развивались из бухгалтерских систем, сами по себе они хорошо выполняют учет

5

О. В. Шишов

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

ную роль, регистрируя издержки, но не показывают пути совершенствования процесса производства.
    Развитие АСУ ТП шло от создания простейших блоков управления отдельными агрегатами и, хотя сфера их применения расширялась, она никогда не выходила за рамки собственно производственного процесса.
    В настоящее время создаются системы управления предприятием, охватывающие все его уровни. Современной основой этого стала цифровая информатизация, позволившая пронизать насквозь все этапы работы предприятия. Технической базой стала цифровая вычислительная программируемая техника, выступающая на разных уровнях автоматизации порой в самых разных и непохожих друг на друга формах. К настоящему времени сложилась определенная совокупность типовых аппаратных и программных средств, используемых для выполнения различных задач автоматизации.
    Уровни управления предприятием и классификация, используемых на этих уровнях технических средств, традиционно отражаются пирамидой, представленной на рис. 1.1.1. Объективное развитие каждого уровня привело к более тонкому их делению. Два нижних уровня пирамиды - это то, что относится к АСУ ТП, два верхних - к АСУП.











Производственные зоны (Цеха, участки, линии)

Финансово-хозяйственное управление (Финансы, бухгалтерия, кадры)

Управление производством (Руководители производства, службы гл. механика, гл. технолога, ...)

Рис. 1.1.1. Пирамида классификации аппаратных и программных средств по уровням автоматизации предприятия

       Интеграционный уровень -диспетчеризация, сбор, обработка архивация данных, визуализация хода технологических процессов (Производственные работники, операторы, технологи...)

6

       ГЛАВА 1. Уровни автоматизации управления предприятием и базовые средства...

    Нижний уровень, который иногда так и называют уровнем низовой автоматизации, представлен компонентами, из которых построены системы управления непосредственно производственных станков и линий. Это датчики и исполнительные механизмы, но прежде всего то, что мы сегодня объединяем общим названием контроллеры - блоки управления. Основным классом технических средств для их создания сегодня выступают свободно программируемые логические контроллеры (ПЛК, Programmable Logic Controller - PLC) и название этого уровня обычно соотносят с названием этих устройств. Конечно, в качестве управляющих устройств на этом уровне могут применяться и промышленные компьютеры.
    Следующий уровень задач в иерархии управления производством относят к системам типа SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) и DCS (Distributed Control Systems - распределенные управляющие системы). Они решают задачи управления процессом с операторных станций и поддержки распределенных систем управления. Кроме прочего системы SCADA и DCS включают в себя средства для решения задач класса MMI (ManMachine Interface) или HMI (Human-Machine Interface) - обеспечения человекомашинного интерфейса, двусторонней связи «оператор - технологическое оборудование».
    Вершину иерархии задач управления составляют задачи, относящиеся к классу ERP (Enterprise Resource Planning - планирование ресурсов предприятия) или MRP (Manufacturing Resource Planning - планирование ресурсов производства). Системы ERP ориентированы на предприятие в целом, а MRP на его технологические подразделения.
    Постепенно между SCADA и ERP образовалась промежуточная группа систем, называемая MES (Manufacturing Execution Systems - система управления производственными процессами). Она возникла вследствие обособления задач, не относящихся ни к одной из ранее определенных групп. К системам MES принято относить приложения, отвечающие:
    •  за управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;
    •  планирование и контроль последовательности операций технологического процесса;
    •  управление качеством продукции;
    •  хранение исходных материалов и произведенной продукции по технологическим подразделениям;
    •  техническое обслуживание производственного оборудования.
    В MES произошло отделение тактических задач оперативного управления технологическими процессами от стратегических задач ведения процесса в целом. Например, в некоторых отраслях промышленности можно выделить задачи управления технологическими последовательностями (batch control). Их суть в обеспечении выпуска продукции в нужном объеме с заданными технологическими характеристиками при наличии возможности перехода на новый вид продукции. Отделились и задачи ведения архива значений технологических переменных с возможно

7

О. В. Шишов

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

стью восстановления производственных ситуаций прошедших периодов и анализа нештатных ситуаций. Появились программы обучения технологического персонала и оптимизации ведения технологических процессов.
    Еще раз отметим роль стоящих несколько обособленно от рассматриваемой пирамиды систем автоматизированного проектирования. Современные системы САПР для предприятий представлены технологиями CAD/CAM/CAE/PDM (Computer Aided Design - компьютерно-ориентированный дизайн, Manufacturing, Engineering - производственная инженерия, Product Data Management - управление данными о продукте). Эти технологии позволяют обойтись без «бумажной» документации, осуществляя прямую связь между процессами разработки изделия и его производства, что позволяет повысить качество продукции и сократить период разработки. Они служат для автоматизации проектировочных работ при разработке конструкторской документации, технических и программных продуктов.
    В рамках данной книги будут рассматриваться технические (аппаратные и программные) средства АСУ ТП. С появлением в 70-х годах прошлого столетия микропроцессорной элементной базы начался современный этап становления и развития систем управления технологическими объектами. Широкое применение микропроцессоров привело к фундаментальным сдвигам в области автоматизации, связи и приборостроении. Применение элементов вычислительной техники для организации измерений и обработки данных в различных технических системах позволяет добиться таких качественных показателей, которых нельзя было достичь при применении аналоговой техники - долговременной метрологической стабильности, многофункциональности, возможности взаимодействия большого количества разнопланового оборудования. Кроме привычных достоинств «цифры» к ним прибавились те преимущества, которые вытекают из программной организации управления (гибкость, адаптация), и возможности программной реализации некоторых функций (фильтрация, ДПФ, алгоритмов подбора кодов в АЦП и т. п.), которые до этого выполнялись только аппаратно.
    Человечество в рамках своей истории всегда старалось использовать для решения различных, в том числе появляющихся перед ним новых задач какие-то типовые решения и средства. Коснулось это безусловно и технической сферы. Применение уже готовых, ранее апробированных «кубиков» для построения новых устройств и систем позволяло каждый раз не начинать изготовление чего-то нового с нуля, существенно экономило время и средства, позволяло избегать старых ошибок. Примерами этого в последних десятилетиях технического прогресса могут служить комплекты (серии) интегральных микросхем. Они представляют собой наборы совместимых между собой готовых компонентов, из которых можно строить функционально законченные изделия электронной техники. Кто из схемотехников не знает серию интегральных микросхем средней степени интеграции К1533, включающую логические элементы, счетчики, триггеры, дешифраторы или серию операционных усилителей К140 или микропроцессорные комплект БИС К580?! При проектировании сложных устройств и систем мы сегодня стоим на пути перехода от схемотехники к системотехнике. От электронных схем на дискретных эле

8

       ГЛАВА 1. Уровни автоматизации управления предприятием и базовые средства...

ментах мы перешли к созданию устройств на микросхемах, а теперь занимаемся компоновкой систем из более сложных и более функциональных компонентов и блоков. При этом и на этом этапе развития технических средств нам удается выделить типовые задачи и создавать, а потом использовать типовые компоненты. Огромным подспорьем в этом нам стала микропроцессорная техника, когда вопросы адаптации тех или иных компонентов решаются за счет того, что мы «заставляем» их решать задачи нужным нам образом за счет написания для них соответствующего программного обеспечения. Эта тенденция не обошла и область автоматизации. В результате сегодня мы строим системы автоматизации на базе программнотехнических комплексов, выпускаемых как ранее и серии микросхем различными производителями, но включающих в себя типовые компоненты (блоки, узлы).
    В рамках главной тенденции легко выделяются и основные перспективные направления. Одним из них является не просто применение в качестве основного средства обработки данных микро-ЭВМ или микропроцессорного контроллера, а создание эффективных систем управления за счет объединения в сеть большого числа локальных «интеллектуальных» узлов. Причем особенностью таких систем сегодня является не просто рассредоточенное расположение аппаратуры непосредственно в местах возникновения или использования данных, а оптимальное распределение решения всей совокупности задач обработки и управления между несколькими контроллерами и микро-ЭВМ. Применение распределенных систем управления обеспечивает высокую гибкость и адаптивность, надежность и живучесть благодаря возможности реконфигурации системы, меньшие расходы на монтаж и эксплуатацию.
    Логика деления АСУ ТП на два функциональных уровня привела к тому, что сегодня сложилась и система технических средств, соответствующих каждому из них.
    Как уже указывалось, на нижнем уровне (уровень ПЛК) применяются компоненты программно-технических комплексов (ПТК), базовыми компонентами которых выступают промышленные свободно программируемые логические контроллеры. Кроме контролеров в состав этих комплексов включаются операторные панели, специализированные контроллеры (регуляторы, таймеры, счетчики), модули удаленного ввода/вывода, нормализаторы и, кроме всего прочего, также компоненты, позволяющие связать все перечисленное в единый сетевой комплекс. Уровень включает и программное обеспечение, позволяющее программировать и задавать параметры работы применяемых устройств. Состав компонентов ПТК позволяет однозначно представить круг задач, решаемых на данном уровне. На основе этих компонентов строятся системы управления отдельных станков и производственных линий, элементы которых непосредственно взаимодействуют с датчиками и исполнительными механизмами.
    К задачам верхнего уровня (уровень SCADA) относят задачи организации взаимосвязанной работы отдельных участков АСУ ТП нижнего уровня, сбора с них и обработки данных, формирования обобщенных решений и отчетов, общей диспетчеризации, иными словами - задачи интеграции отдельных станков, линий, участ

9

О. В. Шишов

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА АСУ ТП

ков в общее производство. Практика проектирования систем управления этого уровня показала, что среди его задач можно легко выделить типовые, решение которых повторяются от проекта к проекту. Основываясь на этом компании, производящие аппаратные и программные средства систем автоматизации, предлагают типовые средства для этого построения систем управления и этого уровня.
    Если на нижнем уровне АСУ ТП первостепенную роль играют аппаратные средства из-за необходимости организации непосредственного взаимодействия с физическими устройствами (датчиками и исполнительными механизмами), то на верхнем уровне более весомую роль выполняют программные средства обработки данных, полученных в цифровой форме с нижнего уровня, а основным аппаратным средством тут выступает промышленный (персональный) компьютер. За понятием SCADA сегодня скрывается программное обеспечение, служащее с одной стороны для разработки соответствующих компьютерных приложений, с другой стороны для поддержки их работы. Состав технических (аппаратных и программных) средств нижнего и верхнего уровней АСУ ТП иллюстрируется на рис. 1.1.2.


Рис. 1.1.2. Технические средства нижнего и верхнего уровней АСУ ТП

10