Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии
Подождите немного. Документ загружается.
Эта возможность предоставлена самому пользователю: RS-232С, RS-
422, RS-485 или же токовая петля 4–20 мА. Однако чаще других
используется интерфейс RS-485.
Протокол MODBUS работает по принципу MASTER-SLAVE или
ведущий–ведомый. Конфигурация на основе этого протокола предполагает
наличие одного MASTER-узла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER
инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:
· запрос/ответ (адресуется только один из SLAVE-узлов);
· широковещательная передача (MASTER через выставление адреса 0
обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без
квитирования).
Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд,
последовательность полей в команде, обработку ошибок и
исключительных состояний, коды функций. Для кодирования
передаваемых данных используются форматы ASCII (American Standard
Code for Information Interchange) и RTU (Remote Terminal Unit). Каждый
запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и
т.д.), адрес абонента (адрес 0 используется для широковещательной
передачи), размер поля данных, собственно данные или буфер под данные
и контрольный СRС-код. Функция обслуживания тайм-аута реализована
для фиксирования коллизий при приеме/передаче данных.
Набор команд протокола описывает функции:
- чтение/запись битов и битовых последовательностей;
- чтение/запись регистров;
- функции диагностики;
- программные функции;
- функции управления списком опроса;
- функции сброса (RESET).
Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в
мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм.
Хотя ограничения этого протокола достаточно очевидны, он привлекает
простотой логики и независимостью от типа интерфейса.
HART. HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer),
разработанный фирмой Fisher Rosemount Inc. в середине 80-х гг., реализует
принцип частотной модуляции для организации цифровой передачи,
основанной на технологии 4–20 мА. На аналоговый сигнал 4-20 мА
накладывается частотно-модулированный цифровой сигнал с амплитудой
колебаний +/-0,5 мА. Логической единице соответствует частота 1200 Гц,
логическому нулю – 2200 Гц. Физический канал – экранированная витая
пара.
HART-протокол позволяет передавать до 1200 бит/с, в нем реализована
схема отношений между узлами сети по принципу MASTER/SLAVE. В
сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй
MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и
занят под связь с какой-либо системой контроля/отображения данных.
Стандартная топология организована по принципу «точка–точка» или
«звезда». Для передачи данных по сети используются два режима:
ü по схеме «запрос-ответ», т.е. асинхронный обмен данными (один
цикл укладывается в 500 мс);
ü все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на MASTER-
узел (время обновления данных в MASTER-узле 250–300 мс).
Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов), когда
несколько узлов подключены на одну витую пару. Питание
осуществляется по шине.
Весь набор команд, реализованных в HART-протоколе, условно можно
разделить на три группы:
- Универсальные команды. Это команды общего назначения,
используются на уровне операторских станций: код производителя
устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства,
диапазоны ограничений, набор рабочих переменных.
- Команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном
канале, сброс и т.д.
- Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные
функции калибровки и т.д. За одну посылку один узел другому может
передать до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство
может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.
Структура информационного байта имеет стандартный формат: 1
стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля нечетности, 1 столовый бит.
Метод контроля корректности передаваемых данных основан на
получении подтверждения.
В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным
линиям. В Европе это не разрешено – для этих целей необходимо иметь
выделенный телефонный канал. На сегодня установлено около 600 тысяч
HART-узлов. Наличие международной организации «HART
Communication Foundation» позволяет активно продвигать эту
промышленную сеть в среде пользователей.
AS-интерфейс. Основная задача AS-интерфейса нижнего уровня –
связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня
распределенной системы управления, а именно датчики и разнообразные
исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой
интерфейс. Название описываемой сети раскрывает ее предназначение:
Actuators Sensors Interface (АSI) – интерфейс исполнительных устройств и
датчиков.
Впервые АSI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня
поддержан рядом известных фирм: IВМ, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-
Bradley, Limberg. Существует и одноименная ассоциация по поддержке
этой сети – АSI.
Тенденция в построении распределенных систем автоматизации имеет
явное стремление использовать технологии сквозного сетевого доступа.
Система должна увязывать в сеть не только контроллеры, но желательно и
датчики. Но эта увязка должна удовлетворять всем современным
требованиям по надежности и открытости, предъявляемыми к любой
промышленной сети. Сеть АSI эти задачи решает. С ее помощью можно
строить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью,
причем АSI имеет шлюзы в другие промышленные сети – ModBus,
PROFIBUS, INTERBUS-S, Device Net и др.
Рис. 2.49. Упрощенная схема ASI-сети
Каждый узел АSI-сети должен иметь специальную интерфейсную
микросхему с поддержкой АSI-протокола. АSI-интерфейс позволяет
передавать как данные, так и питающую нагрузку к узлам сети по одной
паре проводов. Упрощенная схема АSI-сети представлена на рис. 2.49.
Топологией АSI-сети может быть «шина», «кольцо», «дерево» или
«звезда». Общая длина сегмента – до 100 м, а с использованием репитеров
– 300 м. Максимальное время цикла составляет 5–10 мс.
Логическим центром любой топологии является один MASTER-узел,
который контролирует всю работу сети, организует обмен данными с PLC.
ASI-MASTER может быть организован на широком спектре контроллеров,
через которые организуются шлюзы в промышленные сети более высокого
уровня. Часто АSI-MASTER оформляется в виде отдельной платы
контроллера или компьютера. Максимальное число ведомых устройств
(slave), подключаемых к одному Master-узлу, – 62.
В качестве среды передачи данных используется 2-проводной канал.
Скорость передачи ограничена до 167 Кбод, дальность передачи – 300 м.
Сегодня появился специальный АSI-кабель, в котором оба проводника
упакованы в специальную мягкую резиновую оболочку, которая делает
этот кабель гибким и устойчивым к многократным изгибам. Этот кабель
используется для подсоединения датчиков, устанавливаемых на
подвижных частях механизмов.
Для кодирования данных используется известный манчестерский код,
в котором 0 и 1 кодируются по восходящему и нисходящему фронту
сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на АSI-кабель внешних
возмущений. Адрес каждого сетевого устройства записывается в его
постоянной памяти.
С тем чтобы обеспечить короткий АSI-цикл на низкой скорости
передачи, был выбран наиболее компактный формат:
MASTER-запрос SLAVE-ответ
S
Т
SB
АО...А4
РВ
ЕВ
SТ: стартовый бит (0);
ЕВ: стоповый (конечный) бит (1);
SВ: управляющий бит (0 – запрос данных параметра адреса; 1 – запрос
команды);
А0...А4: адрес вызываемого ведомого устройства (5 разрядов);
10…13: пять информационных разрядов (параметр, команда);
РВ: бит четности.
Электрические характеристики: общий ток в системе ограничен 2 А, к
каждому узлу должно быть подано напряжение 24 VDC.
Таким образом, сеть АSI представляет собой сеть оконечных устройств
распределенной системы управления.
Interbus-S. Сеть Interbus – одна из первых промышленных «шин»,
получивших широкое распространение, разработанная фирмой Phoenix
Contact; с 1984 г. Interbus-S остается популярной благодаря дальности
охвата, гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и
автоадресации. Физический уровень Interbus основан на стандарте RS-485
и напоминает обычную сеть с многоотводными соединениями, однако в
действительности представляет собой последовательное «кольцо» на базе
сдвиговых регистров.
SТ I0...I3 РВ ЕВ
Каждый подчиненный узел имеет два коннектора: через один
коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий
узел.
Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети
пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить,
из какого узла считывается или в какой узел передается информация по
положению этого узла в «кольце». Издержки протокола, таким образом,
минимальны. В типовых системах с несколькими десятками узлов и
(возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие «шины»
способны показывать лучшие результаты, чем Interbus.
Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два
дополнительных преимущества. Во-первых, кольцевая топология дает
главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем
в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со
стороны пользователя. Во-вторых, точность сведений о сетевых отказах и
месте их возникновения значительно упрощает процесс их поиска и
устранения.
Сеть Interbus может работать с устройствами как аналогового, так и
цифрового ввода/вывода. Канал РCP представляет собой
коммуникационный механизм упаковки в Interbus-протокол
конфигурационных параметров и управляющих команд без какого-либо
влияния на процесс передачи обычных данных ввода /вывода.
Максимальное число узлов в сети – 512, длина соединения (расстояние
между узлами) – до 400 м. Общая дальность охвата сети – до 12,8 км,
скорость передачи – 500 Кбит /с). Размер сообщения – 512 байт данных на
узел, число передаваемых блоков не ограничено. Типы обмена
сообщениями: сканирование устройств ввода\вывода, РСР-канал для
передачи данных.
Сеть DeviceNet. Протокол DeviceNet, разработанный фирмой Allen-
Bradley (США) в 1994 г., относится к сетям нижнего уровня и
обеспечивает связь между разнообразными промышленными
устройствами (фото- и термодатчики, исполнительными механизмами) и
устройствами более высокого уровня (ПЛК и РС) без использования
модулей ввода/вывода. Сеть DeviceNet имеет шинную топологию,
физический канал – 4-проводный кабель. Помимо протокола обмена, сеть
предусматривает стандартизованные открытые и герметичные разъемы
устройств, диагностические индикаторы и профайлы (файлы параметров)
устройств. В дополнение к чтению состояния дискретных датчиков и
управления пусковыми устройствами сеть позволяет передавать значение
температуры и тока нагрузки пусковых устройств, изменять скорость
замедления приводов и регулировать порог срабатывания датчиков.
Устройства могут быть удалены или заменены без удаления других
устройств и без применения средств программирования, что помогает
снизить эксплуатационные издержки. К сети могут быть подключены 64
узла (до 2048 устройств – по 32 на узел), для связи используется
комбинация ответвителей и экранированной витой пары. Ответвители
DevicePort - пассивные, многопортовые, поставляются с 4 или 8
герметичными микропортами быстрого отключения. Данные посылаются
по необходимости короткими пакетами.
Определены три значения скорости передачи данных: 125, 250 или 500
кбит/с. Длина магистрали (толстый кабель диаметром 12,2 мм)
соответственно 500, 250 и 100 м. Длина одиночных отводов - 6 м.
Контроллерные сети
Сети на основе протокола BITBUS. Протокол BITBUS разработан
фирмой Intel в 1984 г. для построения распределенных систем, в которых
должны быть обеспечены высокая скорость передачи, детерминизм и
надежность. За основу был взят широко известный протокол управления
каналом передачи данных, разработанный фирмой IВМ - SDLC
(Synchronous Data Link Control). Логика сети использует принцип
Master/Slave. Физический интерфейс основан на стандарте RS-485 и
представляет собой экранированную витую пару. Институтом инженеров
по электротехнике и радиоэлектронике (IEЕЕ) BITBUS-протоколу был
присвоен статус стандарта (IЕЕЕ 1118).
Максимальная длина локальной сети BITBUS составляет 13,2 км,
общее число абонентов в сети - до 240.
2.8.10. Интегрированные системы управления
Эффективное управление современным предприятием основано на
интеграции информационных ресурсов предприятия в целом - от уровня
низовой автоматики до уровня планирования и управления производством
и доступности этой информации на всех уровнях принятия решений[71].
Интегрированные системы управления - это системы, основанные на
общедоступной информации со всех уровней управления и реализующие
функции достижения общей цели с учетом многокритериальной оценки
деятельности предприятия и возможных ограничений.
Сбор, обработка и хранение всей информации осуществляются, как
правило, на нескольких резервированных серверах реального времени, где
разнородная информация от различных систем (ПЛК, SCADA, DCS,
модулей ввода-вывода и пр.) переводится в вид, удобный для
представления пользователям, к числу которых могут быть отнесены
службы главного технолога, главного метролога, сбыта и снабжения, учета
и планирования и др., руководители подразделений и предприятия в
целом.
Первоначально для создания подобных систем, получивших название
корпоративные информационные системы, использовались технологии
реляционных баз данных, таких как Oracle, Microsoft SQL Server, DB2 и др.
Однако с увеличением объема и скорости изменения информации
реляционные БД оказались не в состоянии получать информацию в том же
темпе, в котором она поступает от современных источников информации
(десятки тысяч данных за доли секунды). Отсюда возникла необходимость
создания специализированных корпоративных информационных систем
реального времени.
Поскольку за рубежом и в России за последние 20 лет создано
достаточно много различных систем управления производством и
деятельностью предприятия, остановимся на терминологии, назначении и
месте этих систем в общей структуре управления предприятием.
Иерархия систем управления в упрощенной форме с позиции
общепринятых понятий приведена в табл. 2.26.
К настоящему времени все крупные компании-разработчики
аппаратного и программного обеспечения АСУ ТП выпустили пакеты ПО
комплексной (полной) автоматизации производства. Это или отдельные
интегрированные пакеты, работающие независимо от типа установленной
SCADA-системы, или клиентские приложения к ранее выпущенным
SCADA-системам.
К полномасштабным системам управления производством относятся
Plant Information System (PI System) фирмы ОSI Software (США), «Орбита»
фирмы «ПЛК-системы» (Россия), РСS7 фирмы Siemens (Германия) и ряд
др. Фирма Wonderware (США) разработала интегрированный пакет полной
автоматизации производства Factory Suite, компонентом которого является
InTrack-система оперативно-диспетчерского управления материальными
потоками и производственными запасами. Фирма Intellution (США)
разработала программный пакет промышленной автоматизации iHistorian,
поддерживающий концепцию построения информационно-управляющих
систем производства Plant Intelligence.
ЕRР-системы, или системы планирования ресурсов предприятия,
являются системами прогнозирования развития предприятия, его
эволюции в плане долгосрочного прогноза на основе анализа деятельности
предприятия за определенный промежуток времени. Под ресурсами
предприятия понимаются его финансовые, сырьевые, материальные
ресурсы и готовая продукция.
Примерами ЕRР-систем служат системы Protean, ОптиМет,
«Галактика» компании «Галактика» (Россия), «Парус», SAP R/3 компании
SАР АG (Германия) и др. К одной из модификаций этих систем относят
СРМ-системы или системы управления эффективностью бизнеса.
Примером СРМ-систем может служить система СОМSНАRЕ МРС фирмы
«СОМSНАRЕ Inc.» (США). Уровень иерархии ЕRР- и СРМ-систем
принято называть бизнес-уровнем.
Таблица 2.26
Иерархия систем управления
Тип системы
Название
системы
Примеры
систем
Уровень иерархии
ERP-
системы
Сервер
реального
времени
Enterprise
Resource
Planning
«PROTEAN»,
«ОптиМет»
Бизнес-уровень
MRP-
системы
Manufacturing
Resource
Planning
Галактика,
Парус, SAP R\3
CPM-
системы
Corporate
Perfomance
Management
Systems
«Comshare
MPC»
MES-
системы
Manufacturing
Execution System
PI System,
Plant2Business,
Simatic PCS7,
T-Factory 6,
Орбита
Административный
уровень
EAM-
системы
Enterprise
Asset
Management
Avantis Pro
SCADA-
система
Supervisory
Control And Date
Acquisition
InTouch,
Genesis32, iFIX,
Real Flex, Trace
Mode и др.
Диспетчерский
уровень
DCS
Distributed
Control Systems
(Распределенные
системы
управления)
TDC-3000,
Contronics,
МСКУ,
«Техноконт»,
«Униконт» и
др.
Уровень АСУ ТП
К настоящему времени ЕRР-системы активно внедряются на
предприятиях России и за рубежом. Эти системы управляют материально-
производственными ресурсами предприятия, планированием
производства, снабжением, прогнозируют технологические,
энергетические и др. показатели работы предприятия. Предшественниками
ЕRP-систем были МRP-системы. Стандарт «МRРII Standard System» (МRР
- Manufacturing Resource Planning) определяет функции планирования
продаж и производства, управление спросом, планирование материальных
ресурсов, управление запасами и продажами, управление
производственными операциями, управление финансами и др. На основе
МRP-систем сформировались помимо ЕRP-систем также СRP-системы
(планирование потребности в производственных мощностях) и DRP-
системы (планирование спроса и предложений). CRM-системы
осуществляют функции планирования, в том числе составления бюджета,
контроля и учета, расчета себестоимости продукции и др. По сути, это
системы управления эффективностью бизнес-процесса.
Наибольшее развитие в последние годы получили МЕS-системы или
системы управления производственным процессом, призванные
обеспечить необходимой для управления технологической информацией
производственный и руководящий персонал (диспетчерские и технические
службы, руководители подразделений). Традиционно этому уровню
иерархии соответствуют АСОДУ-автоматизированные системы
оперативно-диспетчерского управления. Толчком к развитию МЕS-систем,
возможно, стали успехи PI System - информационной системы
предприятия фирмы OSI Software, предназначенной для сбора и
унификации информации на центральном сервере системы.
К системам этого класса относятся, помимо РI System,
информационно-управляющая система «Орбита» (ЗАО «ПЛК-системы»),
Plant2Business фирмы СIТесhNologies и др.
МЕS-системы относят к классу общепромышленных систем
управления дискретными и непрерывными производствами в масштабе
самостоятельного подразделения - крупного цеха или завода в составе
фирмы (корпорации). Ввиду наличия функций сбора информации и
управления у МЕS-систем эти системы, по сведениям разных источников,
именуют информационно-управляющими системами (ИУС),
интегрированными системами управления (ИСУ), информационными
системами управления предприятием (ИСУП), информационными
системами производства (ИСП) и пр.
Одной из составляющих МЕS-систем являются EАM-системы -
системы управления основными фондами. EАM-система предназначена
для комплексной автоматизации процессов эксплуатации, технического
обслуживания и ремонта оборудования в режиме РВ, включая связанные с
этим функции снабжения и ведения складского хозяйства предприятия.
Примером EАM-системы служит система Avantis Pro. Постоянное
расширение функций МЕS-систем, разработчиками которых выступают
крупные фирмы, размывает границы между МЕS-системами и ЕRP-
системами, находящимися на более высоком уровне.
Не останавливаясь на рассмотрении распределенных систем
управления (DCS), традиционно отнесенных к уровню ЛСА (локальных
систем автоматизации), к которым в качестве примера можно отнести
ТDС-3000, Contronics, МСКУ, ТЕХНОКОНТ, УНИКОНТ и многие др., а
также АСКУЭ (автоматизированные системы контроля и учета
энергоресурсов), располагающиеся на уровне ЛСА и диспетчерском
уровне (примеры АСКУЭ – ПТК «ЭКОМ-3000», «Политариф», ИВК
«Спрут» и др.), отметим влияние программируемых контроллеров на
эффективность работы ЕRP- и МЕS-систем.
Прежде всего это возможность представления данных о процессе в
реальном масштабе времени на сервер административного уровня (уровень
информационной системы производства). Эти данные могут передаваться
непосредственно от контроллеров или SCADA-систем при распределенной
клиент-серверной архитектуре связи.
Другим требованием обеспечения доступа данных на уровень
управления производством является наличие надежных интерфейсов
связи, основанных на современных технологиях (ОРС, Modbus, Ethernet и
др.), и соответствующих коммуникационных портов. Для повышения
надежности и достоверности передаваемой информации необходимо
предусмотреть меры по защите информации и резервированию
программно-аппаратных средств системы (серверов, линий связи,
контроллеров, модулей ввода-вывода и пр.).
2.8.10.1. ERP-системы
Система Protean. Protean - это система для крупных предприятий
химической, фармацевтической и др. отраслей промышленности с
непрерывным циклом производства. Система включает модули,
отвечающие за производство, управление финансами, составление
рецептур, управление материально-производственными запасами,
снабжение, планирование, составление графиков, расчет себестоимости
продукции и управление заказами.
Protean работает на платформе таких СУБД, как Oracle, Microsoft SQL
Server, DВ2 на платформе АS/400. Разработанный для Microsoft Windows,
Protean поддерживает технологию ОLЕ, обеспечивает интеграцию с
приложениями, электронными таблицами, электронной почтой, системами
автоматизации документооборота.
Производственный модуль служит для управления технологическими
процессами с учетом возможных колебаний качества сырья и параметров
процессов. Функция Schedule Management позволяет составлять графики
работ и контролировать выполнение планов производства, а функция
Schedule Activity Reporting позволяет составлять отчеты по различным
видам деятельности предприятия, в том числе по затратам,
производственным потерям и др.
Модуль планирования предназначен для улучшения качества