Функции АСУ ТП Функции АСУ ТП - "Web

Функции АСУ ТП
Функции АСУ ТП
 Основные






функции,
реализуемые
средствами АСУ ТП, следующие:
Автоматическое регулирование (АР);
Логическое управление (ЛУ);
Контроль и отображение (КО);
Противоаварийная защита (ПАЗ);
Диагностика и прогнозирование (ДиП);
Коммуникация (Ком).
Функции АСУ ТП
Функции АСУ ТП
 АР (автоматическое регулирование) – функция,
которая
предназначена
для
поддержания
непрерывных
значений
технологических
параметров на заданном уровне или их
изменение по заданному закону с соблюдением
предъявляемых требований
к качеству
переходного процесса.
 Особенности:
 чаще всего работает с аналоговыми сигналами;
 всегда задаются жесткие требования по
выполнению этой функции, связанные с
периодом дискретизации сигнала.
Функции АСУ ТП
 ЛУ (логическое управление) – одна из
наиболее распространенных функций, при
помощи которой, на основе дискретных и
аналоговых
сигналов,
получаемых
от
процессов, на основе выполнения логических
функций различной степени сложности,
формируется дискретный сигнал управления
двумя состояниями «Вкл/Выкл», которые
используются для запуска и остановки ТП и
отдельных агрегатов, изменения режимов
работы
и
контроля
за
разрешением
выполнения других функций.
Функции АСУ ТП
 КО
(контроль
и
отображение)
–
чисто
информационная функция, предназначенная для
сбора информации, обработки ее различными
способами, фильтрации, сглаживания, статического
анализа и преобразования с целью предоставления
информации в форме, удобной для наблюдения
человеком-оператором.
 Основные устройства – ввода/вывода начиная от
простейших:
 сигнализаторы; цифровые индикаторы; стрелочные
приборы; самописцы;
 мнемонические
табло-схемы;
принтеры;
операционные панели; дисплеи.
Функции АСУ ТП
 ПАЗ (противоаварийная защита) – предотвращает в
системе аварийные ситуации, приводящие к
необратимым последствиям. Например, поломка
отдельных частей ТА, разрушение ТА или выброс
вредных веществ.
 Особенности: функция работает в режиме КО, не
производя действий. При возникновении аварийных
ситуаций: должны быть исключены ее сбои; реакция
ПАЗ должна быть выше реакции основной системы,
например, при выполнении логических функций.
 ПАЗ работает на основе прерываний, имеющих
повышенный приоритет по отношению к другим
функциям управления.
Функции АСУ ТП
 ДП (диагностика и прогнозирование) включает
 1) ДП состояния ТП – функция, оценивающая
граничные
значения
технологических
параметров, скорость изменения с целью
выявления износа отдельных частей ТП,
влияющих не только на работоспособность, но и
на производительность, экономичность и т.п.
 2) Самодиагностика – функция ориентирована на
установление работоспособности отдельных
аппаратных
составляющих
системы
и
правильности выполнения основных функций.
Функции АСУ ТП
 КС (коммуникация и связь) – функция для
осуществления обмена данными устройства
управления (контроллера, ЦПУ):
 а) с внешними периферийными устройствами
 б) с верхним уровнем АСУ ТП по локальной
(глобальной) сети в состав которой входит
устройство управления.
 Рассмотрим перечисленные функции более
подробно.
Автоматическое
регулирование
Автоматическое
регулирование
 В зависимости от того, какие задачи ставятся для
поддержания выходного сигнала y, системы АР
делятся на:
 системы стабилизации (у=const);
 системы программного управления: изменение
выходной величины объекта в соответствии с
заданной функцией y=f(V,t), где функция f
определена заранее;
 следящие системы: x(t)=V(t);
 системы оптимального управления: наряду с
управлением
обеспечивается
выполнение
дополнительных требований к качеству процессов
(время переходного процесса, перерегулирование,
установившаяся ошибка);
Автоматическое
регулирование




 системы адаптивного управления: ý=f(y,t,V),
модели ОУ плохо определены, нелинейные,
нестационарные.
Этапы разработки системы:
Построение модели ОУ – идентификация;
Вычисление управляющего воздействия.
Современные САР, как правило, цифровые,
следовательно требуется аналогово-цифровые (АЦП)
и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.
Автоматическое
регулирование
Автоматическое
регулирование
 Здесь Vк, Uк, yк – дискретные сигналы. V(t),
U(t), y(t) –непрерывные.
 Основной задачей при реализации функции
управления
является
преобразование
каждого параметра из аналоговой величины в
цифровую, и наоборот.
 Одной из задач цифровых регуляторов (ЦР)
является строгое соблюдение временных
интервалов.
 Рассмотрим варианты реализации ЦР.
Автоматическое
регулирование
Автоматическое
регулирование
 Автономные ЦР – это специальные устройства,
имеющие в своем составе полный набор
программных и аппаратных средств для
реализации управления: АЦП, ЦАП, память,
процессорное
устройство,
операционная
система, внешняя память, органы управления
изменением параметров (настройка регулятора),
источник питания, интерфейс связи, наличие
индексирования.
 Недостатки: высокая стоимость, ограничение
возможности коммуникации.
 Достоинства: надежность, быстродействие,
неограниченное число контуров управления.
Автоматическое
регулирование
 Встраиваемые ЦР – регуляторы, которые имеют
в своем составе полный набор средств для
выполнения
функции
регулирования,
но
конструктивно предназначены для установки и
работы в составе устройства управления,
решающего всю задачу автоматизации.
 Пример: семейство контроллеров Simatic S7.
Автоматическое
регулирование
 Здесь PS (Power Supply) – источник питания, CPU –
центральный процессор, IP (Intellectual Peripherals) –
интеллектуальная периферия. Модули, которые
устанавливаются в состав контроллера, имеют
возможность
обработки
нескольких
контуров
регулирования, число которых может изменяться в
диапазоне от 3 до 12.
 Достоинства:
 гибкость за счет изменения параметров со
стороны CPU;
 меньшая стоимость, высокая коммуникативность,
высокое быстродействие.
 Недостатки: ограничение по контурам управления
(мало посадочных мест), контроль и отображение
ведется с помощью контроллера.
Автоматическое
регулирование
 Программные
ЦР
регуляторы,
функция
регулирования которых выполняется при помощи
программы, находящейся в CPU, а для ввода и
вывода сигналов используются соответствующие
периферийные модули аналогового ввода (Analog
Input, AI) и вывода (Analog Output, AO).
Автоматическое
регулирование
 Достоинства:
гибкость
(за
счет
изменения
программы), самый дешевый способ регулирования
(затраты – только на разработку программы).
 Недостатки: программа регулирования существенно
нагружает CPU (по памяти и по времени), невысокая
надежность (при выходе из строя CPU регулирования
нет!).
 Модульное регулирование – это способ, при котором
функция регулирования (весь набор вычислений)
реализуется с помощью стандартных программных
модулей,
выполняющих
элементарные
математические действия: вычитание (определение
разницы между уставкой и регулируемой величиной),
сложение (сигналов), умножение, интергированин,
дифференцирование.
Автоматическое
регулирование
 Достоинства:
позволяет
функции
реализовать
регулирования,
нестандартные
гибкость.
 Недостатки: см. программные ЦР.
 Структурные регуляторы – это регуляторы, в
основе которых используется ПИД-алгоритм, но с
дополнительными
звеньями,
позволяющими
производить обработку сигналов перед входом
регулятора и после его выхода.
 Обработку входного сигнала можно представить
с помощью цепочки:
Автоматическое
регулирование
 КД – контроль достоверности. Используется для
устранения влияния импульсных помех.
 Правило обработки сигнала:
 Если ( xК  xК )   то за результат принимается xК
 Если ( xК  xК )   то за результат принимается xК
1
 Здесь x К 
N
N
x
i 1
i
среднее значение.
Автоматическое
регулирование
 СГ – функция сглаживания. Позволят устранить
нежелательные
высокочастотные
измеренном сигнале. Реализуется
низкочастотного фильтра:
сигналы
в
с помощью
1
W ( p) 
TФ p  1
 КН – компенсирующая нелинейность. Используется
для устранения нелинейностей.
 Выявляется
нелинейность,
реализуется
антинелинейный сигнал. В итоге после суммирования
нелинейного сигнала с антинелинейным получается
результат.
Автоматическое
регулирование
 ГЗ – граничные значения. Если уровень сигнала
выходит за рамки установленного диапазона, то
выдается «предупредительный сигнал». Если сигнал
после этого продолжает расти и превышает
аварийно-допустимый
уровень,
то
выдается
«аварийный сигнал».
 Далее следует ПИД-регулятор, он выполняет
регулирование процессов в системе в соответствии с
заданными требованиями качества переходных
процессов и задач управления.
 Выходные сигналы формируются с помощью КНФ –
квазинепрерывного формирователя (экстраполяторы
0 и 1 порядков и интегратор 1-го порядка), ШИМ –
широтно-импульсного модулятора, ИП – импульсного
преобразователя.
Логическое управление
 Наибольший
объем
выполняемых
задач
и
обрабатываемых переменных приходится, как
правило, на функции логического управления.
 ЛУ делится на жесткое и гибкое.
 Жесткое управление – это управление с помощью
специализированных средств (реле, транзисторы,
ИМС, ПЛМ). Структура и, следовательно, набор и вид
выполняемых
функций
задается
на
этапе
проектирования
и
определяется
конструкцией
(релейная
автоматика,
транзисторная
логика,
интегральные
микросхемы,
программируемые
логические
матрицы,
специализированное
микропроцессорное устройство). Но такие элементы
стали неудобны.
Логическое управление
 Гибкое управление реализуется средствами ПЛК
(программируемых логических контроллеров),
устройств модульного типа, в состав которого
кроме источника питания и CPU можно включать
разнообразный набор периферийных модулей
для ввода и вывода дискретных сигналов. Они
реализуют
большое
количество
режимов
прерываний.
Иначе
ПЛК
называют
масштабируемыми устройствами управления.
Пример масштабируемости: Siemens Simatic S7200, S7-300, S7-400. Аналогичные линейки есть у
Analog Devices, Schneider, Omron, Allen Bradley.
Логическое управление
 ПЛК имеет в своем составе CPU с операционной
системой реального времени, приспособленной
решать задачи в режимах, требуемых именно для
управления,
а
также
модули
дискретного
ввода/вывода (DI/DO).
Логическое управление
 Например, для выполнения логического управления
требуется циклический режим обработки программ.
Помимо циклического, предусмотрены различные
режимы прерываний (по времени, аварийные, др.).
Логическое управление
 В ПЛК наличествуют специализированные языки
программирования,
ориентированные
на
наиболее удобное восприятие специалистами.
 Виды логических алгоритмов:
 1. Временнόе
управление
(потактовое,
циклическое) – это функция, в которой
последовательность
управления
исполнительными
органами
задается
при
помощи временных соотношений и чаще всего
изображается в виде диаграммы. Для него
характерно отсутствие входных сигналов.
Логическое управление
 2. Пошаговое управление – процесс воздействия на
объект
разделяется
на
определенную
последовательность
выполняемых
действий
(существует сценарий). Переход от одного действия к
другому происходит по условиям, формируемым
логическими функциями входных сигналов, а иногда
и временными соотношениями.
 3. Блокированное управление – для каждого
исполнительного
устройства
записываются
(программируются)
логические
условия,
разрешающие включение или выключение с учетом
состояния органов управления, стадий и состояния
ТП, положения и состояния др. исполнительных
органов.
Логическое управление
 4. Селективное управление – управление на
множестве состояний.
 5.
Аналого-дискретное
управление.
Управление осуществляется аналоговыми
сигналами. Используется для управления по
граничным значениям.
Контроль и отображение
 Функции контроля и отображения применяются для
создания человеко-машинных интерфейсов (HMI),
устройств,
передающих
и
отображающих
информацию. Различают локальный и центральный
КО.
 Локальный контроль – для выполнения всех
предписанных задач, но в непосредственной
близости от технологического объекта, при этом ТО
должен быть в зоне видимости. Такое управление
реализовывается при помощи специализированных
устройств: текстовые панели, графические панели,
панели операторов.
Контроль и отображение
Контроль и отображение
 Панели оператора – устройства, содержащие либо
текстовый (чаще) или графический дисплей, 2 поля с
кнопками – набор стандартный кнопок для
управления панелью, работы с меню и переключения
режимов. Второе поле – функциональные клавиши,
снабжены световыми индикаторами и используются
для подачи команд оператора в систему.
Контроль и отображение
 Подключение операторской панели:
Контроль и отображение
 Операционная панель может считывать из CPU




значения заданных переменных из области входов,
выходов, маркеров и счетчиков, может записывать
значения своих переменных либо от клавиш
управления F1-F16, либо от числовых значений
параметров в той же области контроля.
Можно запрограммировать:
1. вывод рабочих сообщений (текст, значение
параметра, время);
2. вывод сообщений о неполадках (вызываются по
инициативе процесса);
3. вывод рецептов – совокупности технологических
параметров,
связанных
с
обслуживанием
определенного режима или с выпуском вида
продукции;
Контроль и отображение
 4. вывод образов – групп значений отображаемых
параметров, связанных с определенным объектом
или режимом работы ТП;
 5. ввод команд, формируемых по нажатию F1-F16.
Состоят из адреса переменной и ее значения,
помещаемых в буфер обмена, откуда считываются в
CPU. Могут группироваться в наборы в зависимости
от режима работы, с подсказкой.
Контроль и отображение
 Централизованный контроль реализуется
на втором уровне АСУТП, предназначен для
связи операторов-технологов, находящихся в
удаленном диспетчерском пункте, со всеми
частями управляемого ТП. Осуществляется
при помощи станций оператора для
организации
функционирования
которых
используются
SCADA-пакеты,
взаимодействующие с сервером.
Контроль и отображение
Контроль и отображение
 SCADA-пакет
–
совокупность
средств,
позволяющих наглядно отображать состояние ТП
в виде набора экранных изображений, на
которые
выводятся
статические
картинки
мнемонического отображения ТП или его части с
наложением
динамических
элементов,
показывающих
состояние
исполнительных
органов путем изменения внешнего вида, цвета,
значения параметров
в цифровой либо
аналоговой форме и наложением динамических
окон, при помощи которых можно изменять
значения параметров или подавать команды
управления.
Контроль и отображение
 Кроме
этого система обеспечивает вывод
сообщений,
автоматически
связанных
с
изменением режимов работы отдельных частей
ТП или возникновением аварийных либо
внештатных ситуаций. Все принимаемые со
стороны
ТП
значения
и
сообщения
накапливаются в архивах для последующего
воспроизведения истории развития процесса или
формирования протоколов (отчетов).
 Наиболее известные SCADA-пакеты: In Touch
(USA), Genesis (USA), Real Flex (USA), WinCC
(Germany) -> Simatic S7 -> 40% рынка, Trace
Mode (RU), Круг 2000 (RU), OpenSCADA (RU).
Контроль и отображение
 SCADA-пакет – пакет программ, который позволяет
проектировать и сопровождать процесс выполнения
системы КиО (системы диспетчеризации), включая
основные следующие задачи:
 1. обмен данными с устройствами низкого уровня,
между станциями;
 2. Накопление, архивирование данных при помощи
универсальных БД или пользовательских БД, при
этом используется выделенный сервер;
 3. Отображение информации в виде графических
мнемосхем технологического процесса с наложением
числовых, световых значений параметров или их
отображений в отдельных окнах в виде таблиц,
графиков, диаграмм;
Контроль и отображение
 4. Вывод сообщений о событиях в системе, в
объекте,
сопровождаемой
отметкой
времени,
текстовыми сообщениями и информацией о
параметрах – рабочих и аварийных;
 5. Формирование отчетов – документирование и
вывод различных видов протоколов;
 6. Внедрение собственных программ пользователя и
вызов системных функций.
 SCADA-пакет состоит из проектирующей части и
исполнительной части. Их можно приобретать по
отдельности. Например, на 10 рабочих станций
достаточно одной проектирующей части, но
исполнительная часть (RunTime) у каждой станции
должен быть своя.
Контроль и отображение
Контроль и отображение
 Проектирующая
часть (набор редакторов,
которые позволяют создавать все составляющие
системы отображения) содержит:
 редактор связей – формирует список
переменных с указанием устройств, с которых
эти данные должны считываться, драйвера,
адреса переменных (имя и адрес переменной в
этом устройстве) и цикла актуализации (время
опроса);
 редактор архивов – для хранения переменные;
 редактор сообщений – для формирования
текста, в котором могут выставляться значения
параметров, и условий его отображения;
Контроль и отображение
 графический редактор – часть системы, при
помощи которой создаются все графические
образы (отдельные динамические элементы,
клавиши, кнопки). Позволяет разбивать всю
совокупность
изображений
на
отдельные
экранные образы (могут иметь структуру –
дерево);
 редактор сценариев – редактор программ (на
языках С, Visual Basic), описывающих поведение
системы при возникновении различных событий,
в том числе срабатываний таймеров;
 редактор протоколов (отчетов) – для
подготовки печатных документов, которые
сопровождают работу системы.
Противоаварийная защита
 Предназначена для наблюдения за граничными
значениями
параметров
ТП.
Вырабатывает
предупредительные
сигналы
и
переводит
исполнительные устройства ТП в состояние,
предотвращающее
возможность
возникновения
аварийной
ситуации.
Основное
состояние:
непрерывный контроль. Реализована отдельно от
устройства управления.
 Задачи ПАЗ.
 1.Контроль за ПДЗ (предельно допустимыми
значениями). Измерение аналоговых параметров и
сравнение их с граничными.
 2. Оценка скорости изменения параметров.
Противоаварийная защита
 3. Аварийная блокировка исполнительных органов.




Для принятия решения о блокировке ПАЗ должна
производить логический анализ ситуации.
Требования:
1. Надёжность системы ПАЗ.
Выпускают на аппаратных средствах, отличающихся
от остальных систем управления. Технические
средства должны быть сертифицированы и иметь
разрешение
контролирующих
органов
на
применение.
2. ПАЗ – дублированная система. Категории
дублирования H,F. Н – конфигурация, в которой
активным является одно из дублирующих устройств,
а второе используется как резервное в случае
неисправности первого.
Противоаварийная защита
 В случае ошибок управление передается
пассивной системе. F - оба устройства
являются активными и производят сравнение
результатов выполнения команд и на основе
некоторых
критериев,
заложенных
в
контроллер, разрешение выдаётся одному из
устройств. Если отклонения повторяются, то
система выдаёт сигнал о сбое (сбой
выявляется быстрее чем в H).
 Рассмотрим варианты реализации:
Противоаварийная защита
 а) дублирование CPU c объединённой периферией.
Противоаварийная защита
 б) конфигурация с раздельной периферией. Сигнал
вводится в контроллер четырьмя независимыми
наборами устройств. К – коммутатор.
Противоаварийная защита
 в)
дублирование
на
уровне
исполнительных механизмов.
датчиков
и
Противоаварийная защита
 Обычно
применяется
комбинированное
дублирование. Так же есть троированые системы
ПАЗ (сверх надёжные).
 3. Быстродействие обеспечивается за счёт
использования
режимов
прерывания
(аппаратных или аварийных), которые имеют
высший приоритет по отношению к другим
перифериям, использованным в системе. При
возникновении
прерываний
сигнлы
вводятся/выводятся путём непосредственного
обращения к периферийным модулям, минуя
область отображения.
Диагностика и
прогнозирование
 Функция предназначена для оценки отдельных
органов технологического процесса, соединительных
линий, контроль прохождения команд управления, а
также самодиагностики или самотестирования,
определения работоспособности элементов самой
системы управления.
 В результате выполнения функции диагностики,
выявляются выходы за границы контролируемого
параметра, вырабатывается сигнал, посылается
сообщение
или
вызывается
автоматическая
процедура замены поврежденного органа.
 Может сочетаться с пожарной сигнализацией,
охранной системой.
Диагностика и
прогнозирование
 Самодиагностика
–
набор
средств,
определяющих
работоспособность
самой
системы управления как на аппаратном так и на
программном уровнях.
 На
аппаратном
уровне
существуют
периферийные модули, которые определяют
ситуацию обрыва провода. Все остальные сбои
определяются
автоматически
операционной
системой
(например
если
не
отвечает
периферийный
модуль).
В
результате
возникновения программных или аппаратных
ошибок
инициируется вызов специальных
организационных блоков.
Диагностика и
прогнозирование
 С
их
помощью
пользователь
может
запрограммировать реакцию на возникновение
той или иной ошибки.
 Прогнозирование – позволяет предсказывать
состояние
или
развитие
ситуации
для
своевременного исключения нежелательных
процессов.
 Функции самодиагностики присутствуют во всех
современных
исполнительных
устройствах
технологических процессов. Проверяют работу
процессоров, периферийных модулей, связи,
памяти, источников питания при включении.
Диагностика и
прогнозирование
 Пример - контроль управления двигателем (оценка
скорости вращения и температуры подшипников):
Коммуникация
 Это
функция,
которая
предназначена
для
обеспечения связи управляющих устройств с
системами
отображения,
периферийными
устройствами и другими устройствами управления
данного или вышестоящего уровня управления.
 Различают коммуникацию: локальную, удаленную,
сетевую.
 Локальная коммуникация – набор программных и
аппаратных средств, позволяющих подключать к
устройству
управления
другие
устройства,
расположенные в непосредственной близости при
небольшом удалении.
 связь с устройствами и приборами, находящимися в
непосредственной близости к устройству управления.
Коммуникация
 Пример
–
подключение
программатора
и
операторской панели к ПЛК.
 Если возможностей CPU не хватает, то используют
коммуникационный процессор (CP) – устройство,
специализированное на выполнение функций обмена
информацией. CP программируется самостоятельно,
независимо от CPU. Обмен между ними происходит
по
внутренней
шине
контроллера
через
двухпортовую память.
 Особенность:
небольшой
набор
устройств,
небольшая удаленность 2-3м, соединение: «точкаточка», простейшие интерфейсы связи (например,
RS-232), невысокая стоимость (только кабель),
невысокая скорость передачи данных.
Коммуникация
 Удаленная коммуникация – связь, обеспечивающая
обмен данными между центральными устройствами
управления и периферийными устройствами на
расстоянии до десятков метров.
 Применяемые интерфейсы связи: TTY (токовая
петля), RS485. Недостаток: ограниченное число
периферийных устройств (до 32), усеченная версия
сетевого обмена по принципу Master – Slave.
 Типичная периферия – датчики (со встроенным
интерфейсом
серии
Sitrans),
исполнительные
устройства (частотные преобразователи).
Коммуникация
Коммуникация
 Сетевая коммуникация – это средства и функции,
позволяющие подключать устройства управления в
состав распределенной системы управления. Они
предназначены для организации обмена данными
между разнообразными средствами, входящими в
состав
сети,
располагающимися
иногда
на
значительном расстоянии друг от друга.
 Особенности: наличие устройств с различными
способностями коммуникаций, обмен производится
небольшими массивами информации, максимальный
размер
128
байт,
существует
возможность
выставлять приоритеты для различной информации,
обмен должен производиться в режиме реального
времени.
Коммуникация