Проектирование автоматизированной системы управления технологическим процессом

Полномасштабные распределенные системы управления - это наиболее мощный по возможностям и охвату производства класс контроллерных средств, практически не имеющий границ ни по выполняемым на производстве функциям, ни по объему автоматизируемого производственного объекта. Нередки примеры использования одной такой системы для автоматизации производственной деятельности целого крупномасштабного предприятия.

Описываемая группа контроллерных средств отличается:

• - развитой многоуровневой структурой, предусматривающей выделение трех уровней: информационного, системного и полевого, причем для организации отдельных уровней могут использоваться разные варианты построения сетей;
• клиент - серверным режимом работы;
• выходом на корпоративную сеть предприятия, систему управления бизнес - процессами, глобальную сеть Интернет, а также на уровень интеллектуальных приборов;
• широким модельным рядом применяемых контроллеров, различающихся по числу входов/выходов, быстродействию, объему памяти разного типа, возможностям по резервированию, наличию встроенных и удаленных интеллектуальных блоков ввода/вывода на все виды аналоговых и дискретных сигналов;
• - широким диапазоном рабочих станций;
• - мощным современным программным обеспечением.

Полномасштабные распределенные системы управления устанавливаются  на электростанциях, крупных агрегатах  типа "котел - турбина", нефтеперерабатывающих  заводах для управления крекинг - процессами, охватывают все производство на химических и нефтехимических заводах и т. д.

3. Рынок контроллерных средств

На рынке контроллерных средств работают все международные лидеры - производители данной продукции: ABB (распространяющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman & Braun), Emerson (бывшая Fisher - Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation (поглотила фирму Damatic Automation), Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Automation и др. Всего порядка 15 фирм, каждая из которых предлагает от двух до пяти контроллерных средств разных классов.

Около 20 зарубежных производителей меньшего масштаба имеют российских дилеров, внедряющих их контроллерные средства на российских предприятиях (Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP, Trey, Control Microsystems, GF Power Controls и др.).

Более 20 российских предприятий конкурируют с зарубежными производителями в разных классах контроллерных средств ("Автоматика", ДЭП, "Импульс", "Инсист Автоматика", "Интеравтоматика", "Квантор", НИИтеплоприбор, "НВТ - Автоматика", ПИК "Прогресс", "Саргон", "Системотехника", ТЕКОН, "Электромеханика", ЭМИКОН и др.).

Поскольку российские предприятия  комплектуют контроллерные средства зарубежными микропроцессорами, стандартными сетями, типовым системным и прикладным программным обеспечением, то продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными изделиями.

4. Выбор средств разработки программного обеспечения автоматизированной системы управления технологическим процессом

Приступая к разработке специализированного прикладного  программного обеспечения (ППО) для  создания системы контроля и управления, системный интегратор или конечный пользователь обычно выбирает один из следующих путей [5]:

• программирование с использованием "традиционных" средств (традиционные языки программирования, стандартные средства отладки и пр.)
• использование существующих, готовых инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Конечно, качественное, хорошо отлаженное ППО, написанное высококвалифицированным  программистом специально для некоторого проекта является наиболее оптимальным. Но, следующую задачу программист  вынужден решать опять практически с нуля. Для сложных распределенных систем, процесс их создания становится недопустимо длительным, а затраты на их разработку неоправданно высокими. Сегодня, в условиях всё более возрастающей доли ППО в затратах на создание конечной системы и, соответственно, всё более ужесточающихся требований к интенсификации труда программистов, вариант с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (не написан, например, подходящий драйвер) или они не устраивают по тем или иным причинам в принципе. В любом случае процесс разработки собственного ППО важно упростить, сократить временные и прямые финансовые затраты на разработку ППО, минимизировать затраты труда высококлассных программистов, по возможности привлекая к разработке специалистов-технологов в области автоматизируемых процессов.

Современный бизнес в  области разработки ПО всё более  и более сегментируется и специализируется. Причина проста - ПО становится всё более сложным и дорогостоящим. Разработчики операционных систем, разработчики инструментальных средств, разработчики прикладного ПО и т.д., по существу, говорят на "разных языках". Таким образом, сама логика развития современного бизнеса в части разработки ППО для конечных систем управления требует использования всё более развитых инструментальных средств типа SCADA-систем (от Supervisory Control And Data Acquisition). Разработка современной SCADA-системы требует больших вложений и выполняется в длительные сроки. И именно поэтому в большинстве случаев разработчикам управляющего ППО, в частности ППО для АСУ ТП, представляется целесообразным идти по второму пути, приобретая, осваивая и адаптируя какой-либо готовый, уже апробированный, универсальный инструментарий.

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом  рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли  свое применение и в России. Наиболее популярные из них приведены ниже:

• Factory Suite (Wonderware) - США;
• Citect (CI Technology) - Австралия;
• FIX (Intellution ) - США;
• Genesis (Iconics Co) - США;
• Factory Link (United States Data Co) - США;
• RealFlex (BJ Software Systems) - США;
• Sitex (Jade Software) - Великобритания;
• TraceMode (AdAstrA) - Россия;
• Proficy Cimplicity (GE Fanuc) - США;
• MasterSCADA (InSAT) – Россия;
• RsView32 (Rockwell Software Inc.) – США;
• MetsoDNA (Metso Automation) – Финляндия;
• WinCC (Siemens) - Германия;
• САРГОН (НВТ - Автоматика) - Россия.

Обзор некоторых SCADA-пакетов приведен в приложении А.

При таком многообразии SCADA - продуктов на российском рынке  естественно возникает вопрос о  выборе. Выбор SCADA-системы представляет собой достаточно трудную задачу, аналогичную поиску оптимального решения  в условиях многокритериальности.

Ниже приводится примерный  перечень критериев оценки SCADA - систем, которые в первую очередь должны интересовать пользователя. В нем  можно выделить три большие группы показателей:

• технические характеристики;
• стоимостные характеристики;
• эксплуатационные характеристики.

К техническим характеристикам  относят:

• спектр поддерживаемого оборудования;
• поддерживаемые программно-аппаратные платформы;
• имеющиеся средства сетевой поддержки;
• встроенные командные языки;
• поддерживаемые базы данных;
• графические возможности.

При оценке стоимости SCADA-систем нужно учитывать следующие факторы:

• стоимость программно-аппаратной платформы;
• стоимость системы;
• стоимость освоения системы;
• стоимость сопровождения.

Эксплуатационные характеристики SCADA-системы имеют большое значение, поскольку от них зависит скорость освоения продукта и разработки прикладных систем. Они в конечном итоге отражаются на стоимости реализации проектов. К ним относят:

• удобство интерфейса среды разработки - "Windows - подобный интерфейс", полнота инструментария и функций системы;
• качество документации - ее полнота, уровень русификации;
• поддержка со стороны создателей - количество инсталляций, дилерская сеть, обучение, условия обновления версий и т. д.

5. Выбор протокола обмена информацией между контроллером и верхним уровнем автоматизированной системы управления технологическим процессом

Для организации взаимодействия ЭВМ с контроллерами необходимо сочетание двух составляющих: аппаратное и программное обеспечение. В  качестве аппаратного обеспечения обычно используются следующие устройства [7]:

• СОМ – порты, в этом случае контроллер или объединённые сетью контроллеры подключаются по протоколам RS-232, RS-422, RS-485;
• сетевые платы, использование такой поддержки возможно, если используемые контроллеры снабжены интерфейсным выходом на Ethernet;
• вставные платы - протокол взаимодействия определяется платой и может быть уникальным (в настоящее время предлагаются реализации в стандартах ISA, PCI, CompactPCI, DH+).

В качестве программного обеспечения для организации связи контроллеров с  ЭВМ верхнего уровня в настоящее время используются следующие механизмы [7]:

• стандартные протоколы обмена данными (RS-232, RS-422, DH485, DH+, TCP/IP и другие);
• динамический обмен данными (DDE);
• собственные протоколы фирм-производителей SCADA - систем, реально обеспечивающие самый скоростной обмен данными;
• новый OPC - протокол, который, с одной стороны, является стандартным и поддерживается большинством SCADA - систем, а с другой стороны, лишен недостатков протоколов DDE.

Коммуникационное программное  обеспечение является много уровневым. Количество уровней зависит от используемой операционной системы. Для Windows-платформ программное обеспечение включает следующие типы:

• статическая библиотека, используемая с традиционными языками программирования, такими как С, С++, Pascal;
• DLL (динамическая библиотека), применяемая со всеми Windows языками программирования (Visual Basic, Visual C/C++, Borland C/C++, Delphi, LabWindows, CVI, LabView);
• DDE-сервер (имеет 16 и 32 битные реализации);
• пакетные реализации DDE протокола – FastDDE для продуктов линии Wonderware и AdvancedDDE для Rockwell линии;
• ОРС-сервер, поддерживающий интерфейс, определённый ОРС-спецификацией.

Заключение

Автоматизированная система  управления технологическим процессом АСУ ТП является составной частью производственного/технологического объекта и компонентом автоматизированной системы предприятия.

Создание и внедрение  АСУ ТП на предприятии по существу является исторической неизбежностью, обусловленной ходом развития технологии производства и развитием приборостроения, микроэлектроники, вычислительной техники и информационных технологий.

В большинстве случаев  АСУ ТП создается проектным путем, путем системной интеграции отдельных  программных и аппаратных составляющих в единую законченную систему.

АСУ ТП должна проектироваться  с учетом опыта разработки подобных систем с обязательным объектно-ориентированным  анализом конкретного технологического объекта управления в свете новейших системотехнических решений в методах управления.

Список использованных источников

1. Деменков Н. П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП: Учеб. Пособие. – М.: «МГТУ им. Н. Э. Баумана», 2004. – 328 с.: ил.
2. Кликовский К.Л.,Купер В.Я. Методы и средства измерений. М.: «Энергоатомиздат». 1986. – 448с.
3. Клюев А.С. Проектирование систем автоматизации и технологических процессов. Справочное пособие. М.: «Энергоатомиздат». 1990. – 76с.
4. Клюев А.С., Глазов Б.В, Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. – М.: Энергия, 1980. – 512 с.
5. Куцевич Н.А. SCADA – системы. Взгляд со стороны. – М.: ЗАО "РТСофт", 2001. – 159с.
6. Нестеров А. Л. Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 1. – СПб: «ДЕАН», 2006. – 552 с.
7. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети, принципы, технологии, протоколы. Учебник. Санкт-Петербург: «Питер», 2001, – 672с.
8. www.asutp.ru