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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-27

На верхнем уровне через локальную компьютерную сеть Ethernet реали-

зуется дальнейшая обработка информации. В частности, осуществляется ото-

бражение информации (SCADA), доступ к базам данных, знаний, компьютер-

ным системам поддержки принятия решений и т.п.

Заметим, что использование мощных контроллеров верхнего уровня

предпочтительнее, чем РС. Основной недостаток офисных РС – недостаточная

надежность. Кроме того, этот

персональный компьютер будет перегружен зада-

чами SCADA, Profibus-FMS, Ethernet, что приводит к ограничению решаемых

задач по количеству и скорости.

Высокая надежность мощных контроллеров, с большими коммуникаци-

онными возможностями, позволяет подготавливать и оперативно хранить ин-

формацию для передачи на верхний уровень.

Современные информационно-управляющие системы, созданные на кон-

тролерах серии SMART и прикладном программном обеспечении ISaGRAF,

ус-

пешно работают на ряде металлургических предприятий, в частности в системах

АСУ ТП глиноземного производства на Богословском и Уральском алюминие-

вых заводах.

5.3.2. Модули серии ADAM 4000 фирмы «Advantech»

Все большее распространение на предприятиях России при использова-

нии современной идеологии автоматизации различных технологических процес-

сов получают модули ADAM фирмы «Advantech».

Модули серии ADAM 4000 фирмы «Advantech» – модули для распреде-

ленных систем сбора данных и управления на базе интерфейса RS-485 на витой

паре. Эти модули являются интеллектуальными модулями УСО на относительно

небольшое число каналов ввода-

вывода, предназначены для построения распре-

деленных систем сбора данных и управления и представляют собой компактные

и интеллектуальные устройства обработки сигналов датчиков, специально раз-

работанные для применения в промышленности. Наличие встроенных микро-

процессоров позволяет им осуществлять нормализацию сигналов, операции ана-

логового и дискретного ввода-вывода и передачу данных по интерфейсу RS-485.

Набор модулей

этой серии позволяет подключать термометры сопротив-

ления (ADAM 4013), термопары (ADAM 4011, ADAM 4018), датчики с аналого-

выми сигналами (мВ, мА, В – одноканальный ADAM 4012, 8-канальный ADAM

4017) и др.

Пример комплектования информационной подсистемы на базе модулей

серии ADAM 4000 представлен на рис. 5.12.

В типовых схемах каждый контролируемый параметр на стадии его оп-

ределения (измерения или вычисления) подвергается стандартной математиче-

ской

обработке, которая включает:

• масштабирование измеряемых сигналов;

• контроль достоверности путем сравнения с установками «боль-

ше/меньше», «предельная скорость», а также путем логического ана-

лиза значений взаимосвязанных между собой параметров;

RS-485

ADAM

4013

ADAM

4050

ADAM

4012

ADAM

4060

ADAM

4520

RS-232

Релейный

коммутатор

PCLD-788

Релейный

коммутатор

PCLD-788

Термометры

сопротивления

Датчики с токовым

выходом

Технологический объект управления

PCPC

Офисная сеть

Ethernet TCP/IP

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-28

Рис. 5.12. Вариант комплектования информационных

cистем на базе модулей ADAM 40ХХ:

ADAM 4520 – модуль связи с компьютером (конвер-

тер) RS 232 / RS485;

ADAM 4050 – модуль цифрового ввода-вывода, преду-

сматривающий возможность работы с электронны-

ми реле;

ADAM 4013 – модуль аналогового ввода, в том числе

с термометров сопротивления;

ADAM 4060 – модуль релейного цифрового вывода;

ADAM 4012 – модуль аналогового ввода.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-29

• контроль нарушений регламентируемых границ. Для каждого пара-

метра могут быть заданы предупредительные и аварийные установки

на нижней и верхней границах.

Модули серии ADAM 5000 (ADAM 5000/CAN) – это модули распреде-

ленных систем сбора данных и управления. Они предназначены для построения

территориально-распределенных систем сбора данных и управления, обеспечи-

вают выполнение следующих функций:

•

аналоговый ввод-вывод;

• дискретный ввод-вывод;

• первичное преобразование информации;

• ADAM 5000 осуществляет прием команд от удаленной вычислитель-

ной системы и передачи в ее адрес преобразованных данных с ис-

пользованием интерфейса RS-485. Модуль ADAM 5000/CAN исполь-

зует интерфейс CAN.

Модули расширения (набор модулей ввода-вывода дискретных и анало-

говых сигналов, модули приема сигналов термопар

и термометров сопротивле-

ния).

Например,

• ADAM-5013 – 3-канальный модуль ввода для подключения термо-

метров сопротивления;

• ADAM-5018 – 8-канальный модуль ввода для подключения термопар

и т.д.

В начале 1998 года фирма «Advantech» приступила к выпуску новой мо-

дели интеллектуальных УСО серии ADAM 5000 – модели ADAM 5510, которая,

кроме всего прочего, является свободно программируемым IBM-совместимым

микроконтроллером.

Программируемый микроконтроллер

ADAM 5510 предназначен для ис-

пользования в локальных и распределенных системах автоматизации в качестве

автономного контроллера. Он обеспечивает прием и выдачу аналоговых и дис-

кретных сигналов, первичное преобразование сигналов по запрограммирован-

ным пользователем алгоритмам и обмен информацией по последовательным ка-

налам связи на базе интерфейса RS-485. Пример комплектования системы на ба-

зе модулей

серии ADAM 50хх представлен на рис. 5.13.

Появление модуля ADAM 5510 позволило расположить управляющую

программу пользователя непосредственно в памяти контроллера, что сократило

время реакции в контуре управления виртуально до 5–10 мкс. Этот факт позво-

лил применить системы на базе ADAM 5510 для решения задач жесткого реаль-

ного времени. Контроллер имеет открытую архитектуру и может программиро-

ваться с

помощью традиционных языков программирования (С, ассемблер), а

также функциональных блоковых диаграмм. Для этого имеется возможность

поддержки пакета Ultralogik (FBD – Function Block Diagram, язык функциональ-

ных блоковых диаграмм, стандарт МЭК 61131-3). Ultralogik – это система разра-

ботки программного обеспечения сбора данных и управления для промышлен-

ных контроллеров. Программирующий на Ultralogik может не знать ничего о

внутреннем устройстве ADAM 5510. Для него важно

понимать какие модули

ввода-вывода присутствуют в его контроллере, и на какие именно линии в них

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-30

приходят те или иные сигналы. В Ultralogik входят библиотеки для всех модулей

ввода-вывода ADAM 5510, библиотеки алгоритмов сбора данных и управления

(ПИ-, ПИД-законы и т.д.), предусмотрена возможность подключения функций

на языках С, С++, Паскаль, Ассемблер.

Программирование на Ultralogik предусматривает выполнение четырех

простых операций:

• определение списка переменных;

• конфигурирование контроллера;

•

реализация алгоритмов в виде функциональных блоков;

• отладка программы при помощи симулятора сигналов процесса.

Ethernet TCP/IP

Офисная сеть

RS-485 (MODbus) - ADAM-5011

ADAM 5511

ADAM

5018

ADAM

5013

ADAM

5017

ADAM

5050

Устройство ввода/вывода

ADAM 5511

ADAM

5018

ADAM

5013

ADAM

5017

ADAM

5050

Устройство ввода/вывода

Рис. 5.13. Комплектование информационных систем на базе модулей серии ADAM 50XX:

ADAM 5018. 8-канальный модуль ввода для подключения термопар;

ADAM 5013. 3-канальный модуль ввода для подключения термометров сопротивления;

ADAM 5017. 8-канальный модуль аналогового ввода;

ADAM 5050. 16-канальный универсальный модуль дискретного ввода-вывода

Скорость создания работоспособных приложений при использовании

Ultralogik может быть выше, чем при использовании на языках класса С или

Pascal.

Таким образом, ADAM 5510 удачно сочетает в себе качества программи-

руемого логического контроллера с простой и открытой архитектурой IBM PC-

совместимых компьютеров и

имеет следующие характеристики:

• совместимый программируемый 16-разрядный микропроцессорный

контроллер;

• модуль процессора 80188, 40 МГц;

• флэш-ПЗУ (Flash-ROM) до 256 кбайт;

• объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) – 256 кбайт;

• операционная система, совместимая с MS-DOS 6.22;

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-31

• количество модулей расширения ввода-вывода – 4 серии ADAM 50хх

(до 8 в модуле ADAM 5000Е).

5.3.3. Комплекс технических средств МИК и программных средств

MIK$Sys

Разработчики – Институт электронных управляющих машин, ТОО

«Электронмашсистем» и кафедра автоматики Инженерно-физического институ-

та (МИФИ), г. Москва.

Комплекс технических средств МИК предназначен для построения ма-

лых, средних и больших распределенных АСУ ТП, использующих локальные

сети типа Bitbus. В состав технических средств МИК входит программируемый

логический контроллер (PLC) МИК СМ9107, моноблоки МБ СМ

9207 – регули-

рующие и широкий набор модулей УСО.

Программируемый логический контроллер МИК СМ9107 представляет

собой открытую иерархическую структуру технических и программных средств

для построения распределенных (до 250 узлов на расстоянии 12 км) систем

управления и сбора информации различного назначения и производительности.

На самом верхнем уровне иерархии используется классическая для про-

мышленных систем схема: «host» (

хозяин)–компьютер, в качестве которого

обычно используется PC, и множество починенных PLC.

МИК состоит их центрального процессора (ЦП) и набора модулей ввода-

вывода, связанных с ЦП быстрым параллельным интерфейсом. Производитель-

ность центрального процессора при использовании сравнительно дешевых мик-

ропроцессоров фирмы «Dallas Semiconductor» может достигать 8 млн. операций

в секунду.

Кроме программируемых логических контроллеров МИК СМ9107, в

со-

став комплекса аппаратуры входят и удаленные регулирующие моноблоки МБ

СМ9207. Моноблоки представляют собой систему дешевых микроконтроллеров

с малым числом каналов ввода-вывода, которая полностью совместима с кон-

троллерами СМ9107. В моноблок встроен процессорный блок, плата УСО. Ис-

пользование этих моноблоков позволяет создавать относительно дешевые рас-

пределенные информационные системы.

Широкий

набор модулей УСО серии ЕМ обеспечивает ввод-вывод сиг-

налов Государственной системы приборов (ГСП) и имеет, как правило, собст-

венный интеллект, что позволяет освободить ресурсы центрального процессора

от функций управления ввода-вывода сигналов и первичной обработки инфор-

мации. В стандартную номенклатуру входят многоканальные (до 48 каналов)

модули ввода токовых сигналов 0–5 мА, 4–20 мА

, ввода сигналов термопар и

термометров сопротивления, ввода дискретных сигналов, вывода аналоговых

сигналов по току и напряжению, а также вывода дискретных сигналов (коммута-

торы постоянного и переменного тока до 220 В). Такт опроса, отображения и

управления в зависимости от сложности системы составляет от 0,05 до 5 сек.

Количество входных/выходных или моделируемых аналоговых и

дискретных

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-32

сигналов – от нескольких десятков до нескольких тысяч. Вариант комплектова-

ния системы на базе контроллеров МИК представлен на рис. 5.14.

Ethernet TCP/IP

Офисная сеть

PC PC PC

МИК1

EM 1445

EM 3154 N1

EM 3154 N2

EM 3154 N3

EM 3154 N4

МБ 1

ЕМ-6301

УСО

ЕМ 6101

EM 3154 N6

EM 3154 N5

EM 3154

МИК2

EM 1445

EM 2151 N1

EM 2151 N2

EM 2151 N3

EM 3105 N1

EM 3105 N2

EM 3105 N3

EM 3105 N4

МБ 2

ЕМ-6301

ЕМ 6101

МБ 3

ЕМ-6301

ЕМ 6101

УСО

Рис. 5.14. Структурная схема информационной системы на контроллерах МИК:

МИК – программируемый логический контроллер СМ9107, в составе:

центральный процессор (ЕМ1445), модуль ввода сигналов термопар

48-канальный (ЕМ3154), модуль ввода дискретных сигналов (ЕМ2151),

модуль ввода аналоговых сигналов 0 – 5 мА, 4 – 20 мА (ЕМ3105), модуль

источника питания (ЕМ5405);

МБ – моноблок регулирующий, удаленный, в составе:

процессор (ЕМ6101), модуль У

CO (ЕМ6301)

Для работы с контроллерами МИК разработано программное обеспече-

ние MIK$Sys, реализованное на языке С и построенное на основе коммерческой

версии пакета MIK$Sys. В состав программного обеспечения входят:

• встроенный диспетчер задач, поддерживающий до 8 задач

в реальном

масштабе времени;

• сетевой пакет, обеспечивающий связь удаленных узлов с ПЭВМ;

• система разработки и поддержки графического интерфейса оператора

на ПЭВМ (SCADA-система);

• система организации многозадачного режима работы в реальном вре-

мени на ПЭВМ;

• программное и алгоритмическое обеспечение первичной обработки

информации фильтрации входных данных;

• программное и алгоритмическое

обеспечение цифрового управления

и регулирования, текущей идентификации параметров объектов

управления и оптимальной настройки параметров регуляторов;

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-33

• программное обеспечение компактных быстродействующих реляци-

онных СУБД для управления данными на диске и в ОЗУ;

• программное и алгоритмическое обеспечение моделирования тепло-

вых, гидравлических и других динамических объектов в реальном

масштабе времени.

Заметим, что отечественные контроллеры МИК и комплекс программно-

го обеспечения MIK$Sys хорошо зарекомендовали себя в металлургии. В част-

ности

, они успешно эксплуатируются на ОАО ММК, где на их основе созданы

современные информационные системы на ряде доменных печей, вращающихся

и шахтных печах известково-доломитового производства и других агрегатов.

Пример реализации управления режимом работы доменной печи и

управления на ОАО ММК на базе комплекса технических средств МИК и про-

граммных средств MIK$Sys

мы рассмотрим в следующей главе.

5.3.4. Программируемые логические контроллеры SIMATIC

фирмы SIEMENS

В прошлом название SIMATIC было широко известно во всем мире как

синоним программируемых логических контроллеров. Сегодня SIMATIC пред-

ставляет мощную, полностью интегрированную систему автоматизации (Totally

Integrated Automation).

SIMATIC Totally Integrated Automation объединяет целый набор техниче-

ских и программных средств:

• программируемые логические контроллеры SIMATIC;

• станции распределенного ввода-вывода SIMATIC DP;

• промышленное программное обеспечение SIMATIC;

• человеко-машинный интерфейс SIMATIC HMI;

•

промышленные компьютеры SIMATIC РС;

• программаторы SIMATIC PG;

• мощные средства связи SIMATIC NET и другие элементы.

Для иллюстрации принципа построения систем остановимся на краткой

характеристике только первых трех групп этой мощной интегрированной систе-

мы.

Программируемые логические контроллеры SIMATIC

Семейство программируемых контроллеров SIMATIC S7-200 (централь-

ные процессоры CPU 2хx), SIMATIC S7-300 (центральные процессоры CPU

3хx), SIMATIC S7-400 (центральные процессоры CPU 4хx) имеют широкие воз-

можности.

Наиболее мощными являются контроллеры SIMATIC S7-400, они пред-

назначены для решения задач автоматического управления средней и высокой

степени сложности. Высокая надежность и быстродействие, широкий спектр ха-

рактеристик и сервисных функций, удобство программирования обеспечивают

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-34

успешное использование этих контроллеров в промышленности. Приведем не-

которые характеристики контроллера SIMATIC S7-400:

• объем оперативной памяти до 4 Мбайт;

• количество дискретных входов до 32 тыс. и выходов до 65 тыс.;

• количество аналоговых входов/выходов до 8 тыс.;

• контроллеры SIMATIC S7-400 могут подключаться к сетям Industrial

Ethernet и Profibus.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-400 способны выполнять

функции ведущих устройств сети Profibus-DP. В

качестве ведомых устройств

Profibus-DP обычно используются станции распределенного ввода-вывода

ЕТ200 и контроллеры SIMATIC S7-300.

Станции распределенного ввода-вывода SIMATIC DP

Программируемые логические контроллеры SIMATIC имеют широкие

возможности расширения ввода-вывода. Для реализации этих возможностей в

распределенных системах предназначена широкая гамма станции распределен-

ного ввода-вывода SIMATIC DP, отличающаяся конструкцией, степенью защиты

и своими функциональными возможностями. Так, в распределенных (децентра-

лизованных) системах с интенсивным обменом данными для SIMATIC S7-400 в

качестве устройств расширения рекомендуется использовать дешевые

системы

связи с распределенными системами ввода-вывода ЕТ200, подключаемые к цен-

тральному контроллеру по сети Profibus-DP. По этой сети к центральному кон-

троллеру может быть подключено до 96 устройств ЕТ200. При использовании

волоконно-оптической линии связи максимальное расстояние между централь-

ным контроллером и последним устройством ЕТ200 может достигать 23 км. Ка-

ждый модуль ЕТ

200 имеет широкий набор интеллектуальных модулей УСО

ввода-вывода дискретных, аналоговых и других сигналов, позволяет использо-

вать в своем составе силовые коммуникационные модули, производящие комму-

тацию цепей трехфазного переменного тока с нагрузкой мощностью до 5,5 кВт.

Промышленное программное обеспечение SIMATIC

Промышленное программное обеспечение SIMATIC – это комплекс пол-

ностью совместимых сервисных программ, позволяющих выполнять проектиро-

вание, программирование, настройку, наладку, запуск, диагностирование и экс-

плуатацию систем автоматического управления, построенных на основе

SIMATIC. Все промышленное программное обеспечение SIMATIC можно раз-

делить на четыре класса:

• Стандартные инструментальные средства, являющиеся основным про-

граммным обеспечением для программирования аппаратуры

SIMATIC. Они

включают в свой состав пакет STEP 7, отвечающий требованиям междуна-

родного стандарта МЭК (IEC) 61131-3. Он может работать на персональных

компьютерах под управлением Windows 95/98/2000/NT. В состав базового

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-35

пакета STEP 7 входят все стандартные инструментальные средства програм-

мирования систем автоматизации SIMATIC 7, необходимые для выполнения

всех фаз создания систем управления:

 конфигурирования и определения параметров настройки аппаратных

средств;

 установки вида связи и ее параметров;

 программирования;

 тестирования, запуска и обслуживания;

 подготовки технической документации и архивации данных.

Для разработки программ STEP 7 позволяет

использовать следующие

стандартные языки программирования:

 список инструкций (Statement List – STL);

 диаграммы лестничной логики (Ladder Diagram – LAD);

 диаграммы функциональных блоков (Function Block Diagram – FBD).

• Инструментальные средства проектирования используются для расширения

функциональных возможностей инструментальных средств. В состав инст-

рументальных средств проектирования входят языки программирования вы-

сокого уровня (С/С++), графические языки программирования для решения

технологических задач (CFC, диаграммы состояния,

функциональные диа-

граммы), вспомогательное программное обеспечение для диагностики и т.д.

• Программное обеспечение runtime. Позволяет использовать при разработке

проектов заранее созданные программные блоки, выполняющие стандартные

функции автоматического управления. Программное обеспечение runtime

подразделяется на аппаратно зависимое и аппаратно независимое. Аппаратно

зависимое обеспечение разрабатывается для конкретного оборудования, на-

пример для программирования функциональных модулей PLC.

Аппаратно

независимое программное обеспечение более универсально и позволяет вы-

полнять стандартные законы управления, модульное управление, управление

с нечеткой логикой; выполнять обмен данными между системами управления

и стандартными программами Windows, использовать в системах управления

многозадачную операционную систему реального времени.

• Человеко-машинный интерфейс, включающий в свой состав программное

обеспечение для оперативного управления технологическим

процессом и ви-

зуализации его протекания. В его состав, в частности, входит универсальная

SCADA-система контроля состояния технологического процесса SIMATIC

WinCC, работающая под управлением Windows 95/98/2000/NT. Характери-

стика пакета SIMATIC WinCC приведена в главе 2.

На базе аппаратуры SIMATIC можно спроектировать систему любой

сложности. В качестве примера на рис. 5.15 показан пример комплектования

системы на базе аппаратуры SIMATIC. На нижнем

уровне в качестве ведомых

устройств используются станции распределенного ввода-вывода ЕТ200 и интел-

лектуальные датчики (ИД), объединенные сетью Profibus-DP, которые осущест-

вляют сбор информации, а также вывод управляющих сигналов на удаленные

объекты. В качестве ведущих устройств используются PLC SIMATIC S7. Широ-

кий набор модулей УСО позволяет производить сбор и ввод дискретных и ана-

логовых

сигналов непосредственно и в PLC, а также выдавать непосредственно

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-36

Industrial Ethernet

Ethernet T CP /IP

LAN

Маршрутизатор

В корпоративную сеть

Server

ET -200

Profibus-DP

ET -200

Profibus-DP

ET -200

PLC SIMATIC S7 400

PLC SIMATIC S7 400 (ус о)

Рис. 5.15. Вариант построения информационной системы технологического процесса на аппаратуре SIMATIC:

ET-200 —удаленные модули связи с объектом; ID — интеллектуальные датчики; DI — дискретный ввод;

AI — аналоговый ввод; DO — дискретный вывод; AO — аналоговый вывод