Казаринов Л.С., Попова О.В., Барбасова Т.А. Автоматизированные информационно-управляющие системы (часть 2)
Подождите немного. Документ загружается.
необходимые переключения в технологических узлах, пуски/остановы
отдельных агрегатов и узлов, предотвращают оперативные
переключения, которые могут привести к аварийным ситуациям.
Вся информация o работе блокировок, связанных с пуском/остановом
механизмов, выводится на мониторы операторских станций.
Команда на блокировку механизмов может быть подана оператором или
поступить от соответствующего связанного алгоритма. Процесс перехода из
одного состояния в другое осуществляется, как единое целое без
возможности прерывания его во время выполнения.
Отдельные виды блокировок образуют алгоритмы аварийного включения
резерва (АВР). Они обеспечивают подключение резервного механизма
группы при аварийном отключении работающего или при недопустимом
отклонении параметра, характеризующего нормальную работу механизма.
Подсистема технологических защит
Подсистема технологических защит предназначена для автоматического
управления оборудованием при возникновении аварийной ситуации. Она
должна предотвратить развитие аварийной ситуации и обеспечить защиту
персонала и технологического оборудования.
Для более надёжной работы ПТК, предусмотрено резервирование
процессоров, один из которых, находится в «горячем резерве». Между собой
процессоры связаны сетью, например, Ethernet.
Для повышения надёжности в подсистеме защит, обычно
предусматривается релейная схема, реализованная в шкафу ШЗ. Контакты
релейной схемы подключаются к выходным реле защиты. Воздействие
технологических защит котла на запорную арматуру выполняется таким
образом, чтобы формируемая в АСУ ТП команда "Стоп" на
электроприводную арматуру не препятствовала прохождению команд от
защит.
Предусмотрен автоматический ввод/вывод защит и ручной ввод/вывод с
операторской станции. Изменение состояния (ввод/вывод) накладок
регистрируется.
Для останова оборудования, в качестве резервного варианта применяются
индивидуальные ключи «Останова котла», обычно располагаемые на
аварийном пульте управления АПУ, с прямым воздействием на выходные
реле защиты. Срабатывание ключа регистрируется в ПТК.
Оперативный персонал котла получает следующую информацию о
подсистеме защит:
- о состоянии защиты (защита введена, выведена);
- о срабатывании защит с регистрацией первопричины;
- о состоянии механизмов, связанных с подсистемой ТЗ;
- о срабатывании механизмов в результате действия защит;
Информация об авариях сохраняется на станциях оператора в течение,
например, 3 дней, а затем, по сети передаётся на станцию архивации. Время
111
хранения архивов определяется объёмом памяти персонального компьютера
станции архивации (обычно не менее 2 месяцев).
Технологическая сигнализация
Технологическая сигнализация предназначена для извещения
оперативного персонала о нарушениях в протекании технологического
процесса, изменениях в составе работающего оборудования, о
неисправностях в подсистемах АСУ ТП. Все сигналы, выносятся на экраны
мониторов.
Технологическая сигнализация включает в себя:
- предупредительную сигнализацию об отклонениях за установленные
пределы технологических параметров, характеризующих работу
оборудования;
- аварийную сигнализацию при аварийных отклонениях параметров,
срабатывании технологических защит, отключениях механизмов СН;
- сигнализацию о действии блокировок, АВР механизмов и источников
энергоснабжения;
- сигнализацию о неисправностях различных устройств, отключениях
автоматов электропитания, автоматическом вводе и выводе защит и т.д.
5.6. Общие сведения об АСУ РТО
АСУ ТП связаны с автоматизированными системами верхнего уровня.
Эти системы верхнего уровня (например, автоматизированные системы
управления предприятием) Enterprise Resource Planning (ERP) -
"планирование ресурсов предприятия" состоят из подсистем: автоматизация
финансовой деятельности предприятия, делопроизводства, бухгалтерии, а так
же АСУ РТО. АСУ РТО - автоматизированная система управления ремонтно-
технического обслуживания, единственная относится к технике. Эти системы
очень дорогие и в полном объеме внедряются на крупных предприятиях.
Внедрение АСУ РТО позволяет повысить качество ремонтного
обслуживания и эксплуатационную надежность оборудования, уменьшить
количество аварийных остановок, снизить затраты на ремонты, и,
следовательно, снизить общие затраты на производство продукции или
услуг.
Использование диагностического мониторинга в АСУ РТО приводит к
снижению затрат на ремонт оборудования до 50-80%, расходов на
техническое сопровождение до 50-80%, объемы материально-
производственных запасов до 30 % и к увеличению рентабельности
производства до 20-60%.
Основные цели создания АСУ РТО:
- АСУ РТО служит для оперативного обеспечения персонала предприятия
необходимой точной информацией об оборудовании и его состоянии;
- для осуществления на этой основе текущего контроля и анализа
состояния оборудования;
112
- оптимизация планирования и проведение РТО;
- повышение надежности эксплуатации оборудования, уменьшение затрат
на производство продукции, и, как следствие, рост рентабельности и
укрепление рыночных
РТО делится на два вида: корректирующее ремонтное обслуживание и
профилактическое РТО. Корректирующее ремонтное обслуживание
возникает по факту отказа оборудования, а профилактическое - не
«дожидаясь» отказа. Качество работы АСУ РТО оценивается минимальным
корректирующим обслуживанием. В некоторых областях техники
корректирующее ремонтное обслуживание вообще недопустимо (например, в
авиации).
Ведение журнала событий является обязательным (в случае отказа можно
проанализировать данные).
Рис. 5.14
Профилактическое РТО делится на две части: на плановое и по состоянию
оборудования. Прогрессивным в настоящее время является РТО по
состоянию оборудования. Процесс обслуживания можно изобразить
следующим образом:
113
Рис. 5.15
t - время эксплуатации;
П - показатель работоспособности;
tк - время снятия с эксплуатации.
П
д
- допустимый уровень показателя работоспособности. В процессе
эксплуатации происходит изменение показателей.
114
Приложение 1.
Обзор промышленных сетей
1. Протокол передачи данных MODBUS
Этот протокол разработан фирмой Gould inc. для построения промышленных распределенных
систем управления. Физический интерфейс в протоколе не определяется. Возможно
использование любых стандартных физических интерфейсов: RS-232C, RS-422, RS-485 или
токовая петля 20 мА.
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 ведомых узлов);
- широковещательная передача (MASTER через выставление адреса 0 обращается ко всем
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 и код контрольной суммы.
Функция обнаружения тайм-аута (отсутствия ответа ведомого узла) 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;
– функция 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 реализации и независимостью от типа интерфейса.
2. Протокол передачи данных BITBUS
Протокол BITBUS разработан фирмой INTEL в 1984 году для построения распределенных
систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи, предсказуемость и
надежность.
Физический интерфейс основан на RS-485. В настоящее время протоколу BITBUS присвоен
статус стандарта IEEE 1118.
Протокол не дает возможности построения сложных систем - структура его информационных
пакетов проста. Все это позволяет говорить о BITBUS как о протоколе относительно простом и не
требующем больших аппаратных затрат на его реализацию.
Информационный обмен организован по принципу "запрос (MASTER) - ответ (SLAVE)".
Функции MASTER-узяа могут (а, как правило, так и есть) концентрироваться в одном узле и рас-
пределяться по нескольким MASTER-узлам, В этом случае необходима организация механизма
передачи телеграммы-маркера (права доступа к шине) от одного MASTER-узла к другому. Но
организация этого механизма довольно сложна.
Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:
1) синхронный режим
Этот режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограни-
ченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины
ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 Кбод.
Синхронный режим передачи предполагает использование двух дифференциальных
сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации.
115
Рис. 2.1
2) режим с самосинхронизацией
Использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены
две скорости передачи: 375 Кбод (до 300м) и 62,5 Кбод (до 1200м). Используя шинные репитеры,
можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда
общее число узлов можно довести до 250, длину общей шины - до нескольких километров.
В этом режиме сигнал синхронизации не используется.
Рис. 2.2
При этом режиме передачи используются две дифференциальные пары: одна для данных и
одна для управления репитером.
В протоколе BITBUS биты кодируются на основе NRZI-способа.
В общем виде стандартный формат любой информационной посылки в этом протоколе можно
представить так:
Рис. 2.3
3. Протокол передачи данных ANBUS
История этого протокола началась в начале 80-х годов. Технологии того уровня подошли к
такому этапу, что возникла необходимость сбора и обработки результатов от множества датчиков,
устанавливаемых в автомобилях, за короткие промежутки времени. Эту задачу можно было
решить только при использовании сетевой структуры, объединяющей все компоненты и
использующей для этой цели недорогую, последовательную сетевую структуру.
По этой причине фирма BOSCH (Германия) разработала протокол "Control Area Network"
(CAN), который был утвержден Международной организацией по стандартам в качестве стандарта
116
ISO 1I898. Этот стандарт был взят на вооружение несколькими фирмами-производителями
микросхем.
Протокол CAN описывает 1-ый и 2-ой уровень OSI-модели.
По своим характеристикам он удовлетворяет требованиям задач реального времени. Реали-
зованный механизм передачи данных позволяет исправлять ошибки с 2-мя ошибочными битами и
обнаруживать ошибки с 5'ю ошибочными битами.
Системы на основе CANbus достаточно легко конфигурируются и обладают средствами
централизованной диагностики.
CANbus - это последовательная шина, механизм работы которой описывается моделью
децентрализованного контроля за доступом к шине, так называемой моделью CSMA/CM. Эта
модель представляет собой модернизированный вариант модели CSMA/CD. Отличие заключается
в механизме разрешения коллизий. В CANbus каждый блок данных содержит дополнительный 11-
битовый идентификатор, который является, по сути, приоритетом данного сообщения. Назначение
приоритетов может происходить следующим образом: один - для параметра скорости, другой - для
частоты вращения коленчатого вала двигателя и т.п. Возможные коллизии, связанные с
одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений; право на
работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом.
В каждом сообщении может быть передано от 0 до 8 бит данных. Большие блоки можно
передавать за счет использования принципа сегментации.
Общая схема работы сети представлена на рис. 2.2.3.1.
Рис. 3.1. Общая схема работы сети CANBUS
4. Протокол передачи данных HART
Дистанционное получение данных и мониторинг имеет всё возрастающее значение для
промышленного производства, экономики и финансов поскольку укрепляет позиции предприятий
и организаций в конкурентной борьбе. В традиционном построении таких систем супервизорного
управления и получения данных (Supervisory Control and Data Acquisition) SCADA - системы
выполняли всю работу по дистанционному сбору, обработке и передаче данных к
централизованным средствам мониторинга. Дистанционный сбор данных вызван спецификой
производимых измерений параметров процесса. Например, нужно измерять давление на разных
участках протяжённого газопровода во взрывоопасной атмосфере. Первоначально средства
измерения на полевом уровне и устройства управления были относительно простыми
аналоговыми устройствами. Электроника в полевых устройствах, в основном, выполняла функции
согласования и линеаризации выходных сигналов первичных датчиков. В результате, устройства
первичной обработки информации (Remote Terminal Unit (RTU)) выполняли аналого-цифровые и
цифро-аналоговые преобразования, простые функции управления, формировали сигналы
телеметрии для централизованных средств мониторинга.
Сегодняшние устройства полевого уровня принципиально изменены применением
встроенных микропроцессоров. Все вновь разрабатываемые полевые устройства включают
встроенный микропроцессор, который управляет процессом измерений, выполняет первичную
обработку информации, согласование сигналов и формирование сигналов телеметрии. Главной
причиной "интеллектуализации" полевых устройств, является низкая стоимость как самих
вычислительных ресурсов современных ЭВМ, так и малая стоимость изготовления.
"Интеллектуализация" устройств полевого уровня позволяет получать данные высокого качества
для используемых приложений.
117
Поскольку "интеллектуальные" устройства получили признание и сейчас широко
применяются в промышленности, то появляются и новые протоколы, архитектуры, решения,
которые можно реализовать на основе "интеллектуальных" полевых устройств.
HART протокол передачи цифровых данных на полевом уровне рассчитан на использование
распределённых вычислительных ресурсов и определяет архитектуры полевого уровня АСУТП.
Аппаратура, работающая в составе таких систем использует современную элементную базу и
имеет невысокую стоимость, что обеспечило АСУТП на основе HART протокола поддержку
многих промышленных фирм и широкое распространение во всех областях промышленного
производства.
История создания
Протокол HART был разработан фирмой Rosemount в 1986 году для интеллектуальных
приёмопередатчиков. По мере продолжения работ и расширения номенклатуры поддерживаемых
устройств этот протокол в конце 1989 был сделан открытым, а немного позже была создана
организация HART Users Group. Количество участников HART Users Group выросло от 18
компаний в 1990 до 79 в 1993. В 1993 была создана организация HART Communication Foundation
(HCF) и компания Fisher Rosemount передала права владения протоколом этой организации.
HART Communication Foundation является официальным источником информации о HART
технологии в промышленности и для своих членов по всему миру. Эта организация является
некоммерческой корпорацией, специально организованной для координирования и поддержки
применения HART технологии по всему миру. Основной задачей этой организации является
демонстрация преимуществ и ценности этой важной технологии. Членство в организации открыто
для всех поставщиков, конечных пользователей и других лиц заинтересованных в использовании
HART протокола. Организация поддерживает форум на CompuServe посвященный HART
протоколу (GO HARTCF) и сервер World Wide Web, имеющий адрес http://www.ccsi.com/hart/.
Проверенная на практике концепция, которую легко понять и использовать
В течении многих лет, стандарт передачи данных предусматривал на полевом уровне
оборудования для автоматизации процесса аналоговый токовый сигнал. Величина токового сигнал
изменялась в пределах 4-20 mA пропорционально измеряемой переменной процесса. В обычном
случае сигнал 4 mA соответствовал нижнему пределу измерений (0%) калибровочного диапазона,
а сигнал 20 mA соответствовал верхнему пределу (100%) калибровочного диапазона. Если система
калибровалась в диапазоне 0-100%, то средний аналоговый токовый сигнал 12 mA, соответствовал
50% диапазона. Практически все системы использовали этот международный стандарт для
передачи значений переменных процесса в системах автоматизации.
Но, к сожалению, только очень ограниченное количество информации (значение измеряемой
переменной) можно передавать по аналоговому каналу.
Интеллектуальные полевые устройства используя HART (Highway Addressable Remote
Transducer) протокол, значительно улучшают эту ситуацию, поскольку цифровые данные при
передаче накладываются на сигнал 4-20 mA, не взаимодействуя с этим сигналом.
Такое использование сигналов даёт два важных преимущества:
существующая кабельная проводка и стратегии управления остаются неизменными;
появляется возможность передачи больших объёмов дополнительных данных (обычно это
номера тэгов (позиций), измеряемых параметров, данные о диапазоне измерений, информация о
самом приборе и диагностика). Возможность передачи этих данных используется при монтаже,
калибровке, техническом обслуживании и эксплуатации АСУТП. При этом достигается
значительное снижение стоимости, улучшение координации и использования сети
интеллектуальных устройств.
Протокол HART позволяет осуществлять двунаправленную передачу информации, таким
образом параметры приборов могут опрашиваться и регулироваться из любой точки на кабеле.
Протокол HART предусматривает и полностью цифровой режим, что позволяет многим
приборам присоединяться параллельно на одну магистраль, что значительно сокращает
материальные затраты на монтаж и наладку каналов связи.
Поскольку протокол HART поддерживается как основными изготовителями средств
автоматизации, так и HCF, то практически гарантируется совместимость АСУТП различного
назначения и интеграция с компьютерами и оборудованием верхних уровней.
118
Сегодня HART протокол даёт преимущества, которые связаны не только с совместимостью с
существующими системами с токовым сигналом 4-20 mA, но и внедрением в ближайшем будущем
полностью цифровой технологии FIELDBUS.
Сведения, сообщаемые практически всеми потребителями АСУТП с использованием HART
протокола, показывают, что только при начальной установке и комплектации АСУТП экономия
средств составляет от 400 до 500 долларов на один прибор, а годовые операционные расходы и
расходы на техническое обслуживание снижаются в абсолютном денежном выражении на 100 -
200 долларов на один прибор.
Преимущества и принцип работы
Протокол HART использует стандарт "Частотной Манипуляции Bell 202", накладывая цифровой
сигнал малой амплитуды (0.5 mA) на аналоговый сигнал 4-20 mA, что показано на рисунок 4.1.
В соответствии со стандартом Bell 202 цифровой сигнал преобразуется в две частоты - 1200 Гц и
2200 Гц, соответственно представляющие биты 1 и 0 (рисунок 4.2).
Поскольку такой ЧМ сигнал имеет нулевое среднее значение и и фаза сигнала непрерывна, то
ЧМ сигнал на аналоговый сигнал 4-20 mA не оказывается никакого влияния.
Протокол HART, согласно стандарту Bell 202, обеспечивает передачу данных со скоростью
1200 бит/сек без прерывания сигнала 4-20 mA, что позволяет главному передатчику (мастеру)
обновлять информацию о полевом устройстве более двух раз в секунду. На одну токовую петлю
HART может подсоединяться два главных устройств. Основное устройство обычно является
системой управления или ЭВМ, в то время как другое главное устройство может быть переносным
коммуникатором или портативным компьютером. Стандартный переносной терминал,
называемый "HART Коммуникатор", способен единообразно осуществлять операции с полевыми
устройствами. Другие сетевые функции можно осуществлять при помощи шлюзов.
Итак, преимущества Hart protocol, состоят в том, что:
Рис. 4.1 Наложение ЧМ сигнала Bell202 на аналоговый
сигнал
Рис. 4.2. Стандарт передачи информации по модему Bell 202
119
- по одной линии передается одновременно аналоговая и цифровая информация или,
например, питание и цифровая информация;
- по цифровому каналу осуществляется двунаправленная передача;
- осуществляется взаимодействие одних полевых устройств с другими полевыми
устройствами;
- возможно несколько ведущих устройств, среди которых могут быть либо Control
system(управляющая система), либо Hendheld communicator (ручной коммуникатор);
- всегда выполняется параллельное объединение устройств в сети ( multidropping или
network);
- осуществляется передача информации с помощью модемов по телефонному или
радиоканалу;
- могут быть использованы мультиплексные и селекторные режимы работы;
- выполняются унификация и совместимость со всеми Hart - устройствами;
- используется гибкий формат сообщений, позволяющий адаптировать сеть к включению
устройств другого типа;
- в одном сообщении может передаваться до четырех значений переменных, а в целом
поддерживается до 256 переменных, описывающих устройство.
- в том случае, если по линии передается питание, то число полевых устройств может быт не
более пятнадцати.
Соединение точка-точка
На рисунке 4.3 показаны варианты соединений с топологией точка- точка. Обычный сигнал 4-
20 mA продолжает использоваться для аналоговой передачи, в то время как данные измерений,
регулировка и данные об оборудовании передаются в цифровом виде.
Аналоговый сигнал остается и может быть использован для управления как обычно. Данные
HART дает доступ к данным по техобслуживанию
Многоточечное соединение
Этот режим требует только одной пары проводов, и по мере необходимости барьер
безопасности IS (Intrinsic Safety) и вспомогательный источник питания для устройств количеством
до 15 (рисунок 4.4). Многоточечное соединение особенно полезно для установок надзора и
Рис. 4.3. Уровни иерархии управления производством и зависимость топологии от
взрывоопасности среды
120