Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-7

Одной из первых реализаций этого стандарта стала инструментальная

система ISaGRAF разработки фирмы CJ International (Франция), позволяющая

разрабатывать программное обеспечение для интеллектуальных PLC. ISaGRAF

предоставляет возможность разрабатывать процедуры с использованием языка

С/С++, причем эти процедуры можно вызывать из любого, описанного выше

языка.

Система ISaGRAF состоит из двух частей: системы разработки ISaGRAF

Workbench и системы исполнения ISaGRAF Target (рис. 5.2).

Система

разработки (ISaGRAF Workbench) представляет собой набор

Windows-приложений, интегрированных в единую инструментальную среду и

работающих под управлением ОС Windows 95/98/NT/2000.

Основу системы исполнения (ISaGRAF Target) составляет набор про-

граммных модулей, выполняющих самостоятельные задачи под управлением

ядра ISaGRAF. Ядро ISaGRAF реализует поддержку стандартных языков про-

граммирования, типового набора функций и функциональных блоков и драйве-

ров ввода-вывода. Система исполнения

ISaGRAF Target загружается в ПЗУ при

изготовлении контроллера или загружается пользователем. Задача связи обеспе-

чивает поддержку процедуры загрузки пользовательского ISaGRAF-приложения

(MS Windows

95/98/NT/2000)

ISaGRAF WorkBench

Интегрированная

среда разработки

ISaGRAF

ISaGRAF Target

PLC

(OS-9, VxWorks, QNX и др.)

Ядро

ISaGRAF

Драйверы

УСО

Системные

функции

Задача

связи

Функции

пользователя

RS232/Ethernet

ISaGRAF

Система разработки

ISaGRAF

Система исполнения

Рис. 5.2. Структура системы ISaGRAF

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-8

со стороны программируемого контроллера, а также доступ к рабочим перемен-

ным этого приложения со стороны отладчика системы разработки ядра

ISaGRAF.

Общий алгоритм работы с пакетом ISaGRAF можно представить сле-

дующим образом:

• создание проекта в рамках ISaGRAF Workbench;

• написание программ на языках ISaGRAF в соответствующих редакто-

рах;

• описание переменных в редакторе переменных;

•

описание соединений переменных с физическими и логическими уст-

ройствами ввода-вывода;

• компилирование проекта в исполняемый код для ISaGRAF Target;

• отладка программы в ISaGRAF Workbench;

• отладка программы в ISaGRAF Target.

5.1.2. Средний уровень

Основная задача этого уровня заключается в сборе информации с раз-

личных подсистем и/или контроллеров, их обработка и передача на верхний

уровень. Средний уровень чаще всего представляет собой станции контроля и

регистрации технологических параметров и предназначен для замены регистри-

рующих приборов. Современный подход к этому уровню – это SCADA-система.

Кроме того, средний уровень является связующим звеном нижнего и верхнего

уровней системы.

Аппаратная база этого уровня должна быть более мощной, предусматри-

вающей возможность обмена

через промышленные (Fieldbus) и офисные сети

(например, Ethernet) с нижним и верхним уровнем. Предусмотрена организация

логических и горизонтальных соединений с базами данных реального времени.

Обычно используют промышленные компьютеры РС совместимой архитекту-

ры, а чаще всего – интеллектуальные контроллеры.

Спектр задач интеллектуальных контроллеров и промышленных компь-

ютеров более разнообразен и включает:

• сбор данных

с контроллерного уровня;

• обработку данных, включая масштабирование;

• синхронизацию работы подсистем;

• организацию архивов по выбранным параметрам;

• резервирование каналов передачи данных.

База данных реального времени. До появления IndustrialSQL Server

(Wonderware, США) задача регистрации информации в реальном времени могла

быть решена либо на уровне программного обеспечения интеллектуального кон-

троллера, либо на уровне

SCADA-системы. Сейчас с появлением IndustrialSQL

Server появилась дополнительная возможность обеспечить высокоскоростное

хранение информации в БД, архивировать данные с целью экономии места на

диске, обеспечивать стандартный доступ к данным. IndustrialSQL Server пред-

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-9

ставляет собой расширение Microsoft SQL Server и обеспечивает сбор данных в

сотни раз быстрее, чем любые другие реляционные базы данных. Он может ис-

пользоваться как в небольших цехах с сотней регистрируемых технологических

параметров, так и на крупных промышленных предприятиях с сотнями тысяч

параметров.

Системы Micro-SCADA решают задачи, аналогичные традиционным

SCADA-системам. Отличие лишь в ориентации

программного обеспечения на

определенную отрасль (часть объекта, например систему загрузки или воздухо-

нагреватель доменной печи и т.п.). Выбор ориентации определяет спектр драй-

веров или серверов ввода-вывода для подключаемого специфичного контрол-

лерного оборудования, набор графических объектов.

5.1.3. Верхний уровень

Основным средством коммуникации на этом уровне обычно является

компьютерная сеть Ethernet

с протоколами TCP/IP.

Компьютеры этого уровня решают следующие задачи:

• диспетчерский сбор, сигнализация управления и отображение всего

технологического процесса или его отдельных подсистем (SCADA-

системы), реализованные на операторских станциях;

• хранение технологической информации в базе данных;

• компьютерная поддержка принятия решений (комплекс математиче-

ских моделей технологического процесса, интеллектуальная под-

держка принятия решений), реализованная

на расчетных станциях;

• интеграция локальной сети в корпоративную сеть всего предприятия

(коммуникационный сервер).

Выбор базовых компонентов этого уровня, предназначенных для органи-

зации комфортного человеко-машинного интерфейса, во многом определяется

сложившейся привычной ориентацией на персональные компьютеры и имею-

щийся подготовленный персонал для работы на них. В связи с этим, как

прави-

ло, выбор сводится лишь к определенной требуемой конфигурации PC-

совместимых компьютеров и операционных систем Windows 95/98/NT/2000.

В качестве программного обеспечения этого уровня можно использовать

достаточно широкий спектр традиционных SCADA-систем (Genesis, InTouch,

WinCC, MIK$Sys и др.), СУБД (Access, SQL Server, SQL Base, Oracle Server,

Informix, SyBase и др.), коммуникационных программ Internet Information Server

(IIS) и др. (см. главы 2, 3).

Представленная на рис. 5.1 обобщенная схема в ряде случаев является

избыточной. Естественно, что возможна и различная компоновка информацион-

ных систем. Так, для некоторых, достаточно инерционных металлургических

процессов (агломерационное, доменное производство) нет необходимости фор-

мирования отдельной базы данных реального времени, и для решения техноло-

гических задач можно ограничиться базой данных верхнего уровня (SQL Server).

Может отсутствовать и необходимость в системе Micro-SCADA. Однако, чаще

всего,

для относительно сложных информационных систем в металлургии ми-

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-10

нимальный набор необходимых элементов таких систем включает комплекс дат-

чиков, исполнительной и сигнализирующей аппаратуры, сеть PLC, интеллекту-

альные контролеры или PC, операторские (SCADA-системы), расчетные станции

и базы данных (SQL Server). В качестве примера на рис. 5.3 представлен один из

вариантов простой архитектуры системы контроля и управления, когда инфор-

мация, поступающая от интеллектуальных контроллеров или РС,

хранится в базе

данных. При этом клиент-серверная организация взаимодействия расчетных и

операторских (клиентских) станций обеспечивает возможность этим станциям с

использованием языка структурированных запросов SQL взаимодействовать с

сервером баз данных. Естественно, что такая архитектура информационно-

управляющей системы обеспечивает меньшую скорость отражения измененной

первичной технологической информации на мониторах операторских станций и

расчетных станций

Заметим в заключение, что в простейших случаях возможно совмещение

нижнего и среднего уровней информационной системы и реализация их на про-

мышленных компьютерах РС, имеющих собственные УСО (рис. 5.4). Номенкла-

тура таких УСО для промышленных компьютеров отличается большим разнооб-

разием. Такая конфигурация системы по принципу работы фактически ничем не

отличается от централизованной

системы и обычно она используется, когда от-

сутствует необходимость в применении принципа распределенности (децентра-

лизации) информационно-управляющей системы технологического процесса.

Очевидно, что для многих задач такой подход не обеспечивает управле-

ние в реальном времени. Связано это с тем, что современное программное обес-

печение операторского интерфейса в своей массе предназначено для

работы под

управлением операционной системы Windows, которая пока еще слабо оптими-

зирована для работы в режиме жесткого реального времени. Кроме того, опера-

торская станция обычно отличается нестабильным программным окружением

(оператор может, например, запустить зараженную вирусом программу), что в

сочетании со сложностью самой операционной системы может нарушить функ-

ционирование приложения, отвечающего за

управление технологическим про-

цессом вплоть до полного "зависания" компьютера.

5.2. Общая характеристика промышленных сетей

Каналы связи контроллеров с интеллектуальными контроллерами и про-

мышленными компьютерами отличаются большим разнообразием. Выбор кон-

кретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния, числа контро-

лируемых точек, требований к пропускной способности и надежности канала,

наличия допустимых линий связи

. Задача промышленных сетей (Fieldbus) со-

стоит в организации физической и логической связи различных компонентов ав-

томатизации таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна

общезаводской информационной системе.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-11

В корпоративную сеть предприятия

Ethernet (TCP/IP)

. . . . . . . .

Клиентские станции (операторские станции, расчетные станции)

PLC PLC

. . . . . . . .

омышленная сеть

Интеллектуальные

контроллеры, PC

Офисная сеть

. . . . . . . .

Fieldbus

SQL Server

Коммуника-

ционный

сервер

Fieldbus

ut/Out

Рис. 5.3. К структуре информационной системы

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-12

Ethernet TCP/IP

Офисная сеть

Персональный

компьютер

Модули УСО

Input/Output

Верхний уровень

Нижний, средний

уровни

Рис. 5.4. Простейший вариант комплектования компьютерной

информационной системы

Таким образом, промышленные сети Fieldbus – это специализирован-

ные быстродействующие каналы связи, позволяющие эффективно решать за-

дачи надежных и помехоустойчивых соединений с компонентами автоматиза-

ции различных разновидностей, в частности программируемых логических кон-

троллеров, промышленных персональных компьютеров, удаленных модулей УСО

и др.

Сформулируем лишь некоторые основные требования, которые можно

предъявить к "

идеальной" промышленной сети:

1) предсказуемость времени доставки информации;

2) помехоустойчивость;

3) доступность и простота организации физического канала передачи данных;

4) максимальный сервис для приложений верхнего уровня;

5) минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на

уровне контроллеров;

6) возможность получения «распределенного интеллекта», путем представления

максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам.

управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных си-

туаций.

Следовательно, промышленные сети должны полностью удовлетворять

запросам потребителей по модульности, надежности, защите от внешних помех,

простоте в построении, монтаже и программировании.

Нетрудно заметить, что требования противоречивы, так второе требова-

ние противоречит третьему. В целом следует отметить, что промышленная сеть,

по своей

сути, – один большой компромисс. От того, как расставлены акценты в

этом компромиссе, зависит успешность решения задач, стоящих перед данной

сетевой архитектурой.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-13

Сегодня говорить о некой универсальной промышленной сети еще рано.

Однако известны требования к ней и понятны прикладные задачи, которые не-

обходимо решать с ее помощью:

• автоматизация на уровне периферийного оборудования.

Здесь необходимы следующие качества: высокая скорость передачи, корот-

кое время реакции на события, длина линий связи обычно до 300 метров;

•

автоматизация на уровне управления технологическими процессами

(уровень производства).

Этот уровень требует следующих качеств: среднее время опроса датчиков

до 100 мс, длина линий связи до 1500 м, с возможностью работы устройств

во взрывоопасных средах.

Как правило, способность передавать большие объемы данных не столь

важна в промышленных условиях, как оперативность и предсказуемость време-

ни передачи информации. Скорости передачи по промышленным шинам обычно

колеблются от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с при «медных» средах передачи и до 500

Мбит/с на оптоволокне. Однако в промышленных системах в последнее время

стали использовать высокоскоростные офисные сети Ethernet.

На каком бы уровне сеть не работала, она должна быть стандартной.

Соблюдение всех

семи уровней эталонной модели OSI/ISO в системах управле-

ния обычно не требуется. Кроме того, наличие дополнительных изолирующих

межуровневых интерфейсов привело бы к потере производительности системы в

режиме реального времени и сделало бы существенно менее предсказуемыми

задержки прохождения сообщений в сети. Большинство промышленных сетей

имеют сжатую трехуровневую архитектуру и поддерживают 1-, 2- и 7-й

уровни

OSI модели (см. главу 4). Сервисные функции остальных уровней либо отсутст-

вуют, либо включены в прикладной уровень. Напомним, что

• физический уровень – уровень 1 (Physical Layer) обеспечивает необхо-

димые механические, функциональные и электрические характери-

стики для установления, поддержания и размыкания физического со-

единения;

• уровень передачи данных – уровень 2 (Data Link Layer) гарантирует

передачу данных

между устройствами. Этот уровень управляет не

только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восста-

новления данных в случае ошибок при передаче;

• прикладной уровень – уровень 7 (Application Layer Interface) обеспечи-

вает непосредственную поддержку прикладных процессов и про-

грамм конечного пользователя и управление взаимодействием этих

программ с различными объектами сети передачи данных.

Основными достоинствами

промышленных сетей являются недорогие

линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно бит

за битом, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Та-

кой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволя-

ет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния.

В настоящее время используются ряд физических

интерфейсов соедине-

ния, определяющих электрические и механические характеристики интерфейса в

промышленных сетях, а также номенклатуру цепей стыка и процедуру их взаи-

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-14

модействия на аппаратном уровне: токовая петля (ИРПС), RS-232C, RS-485,

RS-422. Заметим, что сокращения RS означают Recommended Standard (реко-

мендательный стандарт). Однако если производитель желает, чтобы его устрой-

ства были совместимы с другими аналогичными устройствами, он должен при-

держиваться определенных правил, которые и закреплены этими стандартами.

Основными из них являются RS-232C, RS-485. Важное отличие RS-232C от RS-

485 заключается в

том, что RS-232C использует небалансный (unbalanced) сиг-

нал, в то время как RS-485 использует балансный (balanced) сигнал.

Небалансный сигнал передается по несбалансированной линии, пред-

ставляющей собой сигнальную землю и одиночный сигнальный провод, уровень

напряжения на котором используется, чтобы передать или получить двоичные 1

или 0. Напротив, балансный сигнал передается по сбалансированной линии, ко-

торая представлена сигнальной землей

и парой проводов, разница напряжений

между которыми используется для передачи/приема бинарной информации (а

все вместе составляют экранированную витую пару). Не вдаваясь в подробности,

можно сказать, что сбалансированный сигнал передается быстрее и дальше, чем

несбалансированный.

Сравнительные характеристики RS-232C, RS-485 приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Сравнительные характеристики RS-232C RS-485

Максимальное число приемников /передатчиков

на линии

1/1 32/32

Максимальная длина линий (без повторителей) 15 м 1220 м

Максимальная скорость передачи 38,4 кбод 90 – 500 кбод

Интерфейс RS-232C. Это широко используемый стандартный последо-

вательный интерфейс обеспечивает работу стандартного оборудования передачи

данных между компьютерами и терминалами. Тип соединения – «точка-точка».

Электрическая система основана на импульсах ±12 В, кодирующих последова-

тельности "0" и "1". Механически этот стандарт определяет 8-, 9- и 25-

контактные разъемы. Основные сигналы передаются по линиям "переда-

ча/прием" данных.

Остальные линии передают информацию о состоянии комму-

тируемых устройств.

Интерфейс RS-485. Это последовательный тип интерфейса, он исполь-

зуется для высокоскоростной передачи данных. Максимальная длина варьирует-

ся от 1,2 км на скорости до 90 кбод и до 200м – на скорости до 500 кбод. Стан-

дарт на RS-485 предусматривает только 32 пары передатчиков/приемников, но

производители расширили возможности RS-485,

так что теперь он поддерживает

от 128 до 255 устройств на одной линии, а используя репитеры, можно продле-

вать максимальную длину линии. Также стандарт на RS-485 предусматривает

использование двухжильной экранированной витой пары, но возможно исполь-

зование и четырехпроводной витой пары.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-15

В промышленных сетях используются те же методы доступа, что и в ло-

кальных сетях – модель CSMA/CD (метод множественного доступа с контролем

несущей и обнаружением конфликтов) и The Token Passing Method (метод с пе-

редачей маркера), описанные ранее.

Кроме этих методов используется метод MASTER-SLAVE – ведущий

(запрос) – ведомый (ответ). В этом методе право инициировать циклы чтения-

записи имеет

только MASTER – ведущий узел. Он адресует каждого пассивного

участника как SLAVE – ведомый, обеспечивает их данными и запрашивает у них

данные. С тем чтобы увеличить пропускную способность шины, команды про-

токола должны быть как можно проще.

Сегодня существуют десятки разнообразных промышленных сетей. Наи-

более популярными являются Industrial Ethernet, Profibus, Controller Area Net-

work bus (CANbus), Factory Instrumentation Protocol (FIP), Interbus-S, Bitbus,

MODbus, Foundation Fieldbus (FF), LONWorks и др. Каждая из перечисленных

систем

имеет свои особенности и области применения. Отметим, что практиче-

ски все эти протоколы имеют поддержку в виде сильных компаний и практиче-

ски все опираются на те или иные стандарты.

Большие усилия сегодня направлены на разработку аппаратно-

программных шлюзов (мостов) из одного протокола в другой. Заметим, что в на-

стоящее время

ведется разработка общеевропейского стандарта, объединяющего

Profibus и FIP.

В зависимости от области применения весь спектр промышленных се-

тей можно разделить на два уровня:

• sensor/actuator level (датчиковый уровень) – задачи сетей этого уровня

сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных ис-

полнительных механизмов. Здесь основным параметром является

время и частота опроса каналов датчиков.

Типичные представители

этого уровня Profibus-DP/PA, Interbus-S;

• field level (системный уровень) – промышленные сети этого уровня

решают задачи по управлению процессом производства, сбором и об-

работкой данных на уровне промышленных контроллеров. На этом

уровне на первый план выдвигается задача передачи больших объе-

мов данных, при этом схема потоков данных может быть достаточно

сложной. Типичные

представители этого уровня Profibus-FMS, Bitbus.

Другими словами, необходимо различать промышленные сети для сис-

темного уровня (Field busses) и датчикового уровня (Sensor/actuator busses).

Сравнение этих двух классов в самом общем виде можно получить по

критериям, представленным в табл. 5.2.

Заметим, что существуют сети для обоих уровней применения, типич-

ными представителями которых являются CANbus, FIP и др.

На рис. 5.5 представлена

обобщенная сетевая структура, показывающая

в общем виде возможное использование того или иного вида сетей на отдельных

уровнях условного промышленного предприятия.

В распределенных промышленных системах между собой связаны сете-

вые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями и расстояниями

передачи данных. Поэтому решить все задачи при помощи промышленной шины

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-16

одного типа невозможно. Однако все вместе они удовлетворяют требованиям

практически любой системы управления, имеющей распределенную архитекту-

ру. Характеристики некоторых промышленных сетей приведены в табл. 5.3.

Рассмотрим их подробнее.

Таблица 5.2

Сравнительные критерии промышленных сетей

типов Fieldbus и Sensorbus

Основные критерии Fieldbus Sensorbus

Расширение сети От 100 м до 1500 м До 100 м

Время цикла От 10 мс до 10 с От 1 мс до 1 с

Объем передаваемых

данных за цикл

От 8 байт до сотен байт От 1 до 8 байт

Цена среды передачи Низкая Очень низкая

В корпоративную сеть

Уровень промыш-

ленных

контроллеров

Уровень агрегата

(цеха)

Уровень цеха

(предприятия)

Удаление устройства

cвязи с объектом

Интеллектуальные

датчики

Sensor/actuator level

Field level

PLC PC

Ethernet(TCP/IP)

исная сеть

PC PLC

Profibus –

FMS,

Bitbus и др.,

Industrial

Ethernet

Profibus DP,

INTERBUS-S

и др.

Исполнительный

механизм

Датчики

Рис. 5.5. Уровни связи и типовые компьютерные сети

в информационных системах технологических процессов