1. принципы построения современных увк
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ УВК
Система управления технологическим процессом на базе ЭВМ эффективна потому, что поддерживает параметры процесса в режиме, близком к оптимальному.
Управляющий вычислительный комплекс (УВК) имеет два принципиальных отличия от универсальных ЭВМ:
УВК через датчики и регулирующие органы осуществляет непосредственную связь с объектом управления.
УВК должен своевременно откликаться на события, происходящие в объекте управления, с которым он взаимодействует, работать в одном темпе с объектом управления, т.е. в реальном времени.
Структурная схема УВК:
Взаимодействие с внешней средой осуществляется через устройства связи с объектом (УСО) – устройства аналогового и цифрового ввода/вывода. Так как физические величины, преобразованные в электрический сигнал с помощью датчиков, носят преимущественно аналоговый характер, то необходимо дополнительно его оцифровывать.
Также возможны случаи, когда необходимо принимать или осуществлять управление дискретным сигналом. Для этих целей предназначено устройство дискретного ввода/вывода.
Так как УВК должен достаточно быстро реагировать на изменение управляющих воздействий, то предусмотрена система прерываний. При поступлении нового прерывания система приостанавливает выполнение текущего задания и переключается на обработку новых данных и осуществление управления. После окончания система возвращается к прерванной программе.
Работа в реальном времени предполагает использование времени как параметра управления процессом. Для реализации функций, связанных с отсчетом времени, используются программируемый таймер или «часы реального времени».
Управление осуществляется на основе математической модели технологического процесса, которая служить основой для разработки алгоритма. Значения сигналов, поступающих от датчиков технологического процесса, являются входами алгоритма управления, в соответствии с которым создается программа, вычисляющая значения управляющих воздействий.
Конструктивная особенность – наличие пылезащитного сейсмостойкого кожуха, защищающего УВК в неблагоприятных условиях.
Характерны модульный конструктивный принцип, наличие большого количества слотов расширения, что позволяет обслуживать большое количество датчиков и исполнительных устройств. Платы расширения вместе с системной платой устанавливаются на пассивную объединительную панель, что повышает надежность УВК и снижает нагрузку на системную плату.
Операционная система реального времени обеспечивает быструю реакцию на события, происходящие в управляемом объекте.
2. СИСТЕМЫ SCADA-УРОВНЯ; ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ
SCADA сокр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных.
Под термином SCADA понимают инструментальную программу для разработки программного обеспечения систем управления технологическими процессами в реальном времени (АСУ ТП) и удаленного сбора данных (телемеханика). Реже термин SCADA-система используют для обозначения программно-аппаратного комплекса сбора данных (телемеханического комплекса).
Основные задачи, решаемые SCADA-системами:
Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, т.е. с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.
Обработка информации в реальном времени.
Отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме (HMI сокр. от англ. Human Machine Interface — человеко-машинный интерфейс).
Обработка особых состояний. Бывают двух видов: события и тревоги. Если события – обычные сообщения об изменениях в статусе технологического процесса, то тревоги представляют собой предупреждения о ненормальном ходе технологического процесса.
Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса (протоколирование сообщений о ходе техпроцесса или значений параметров протекания техпроцесса через равные промежутки времени).
Управление пользовательскими и системными переменными, реализация алгоритмов автоматического управления техпроцессом.
Управление доступом. Заключается в введении различных категорий доступа, контроле лиц, осуществляющих доступ, протоколировании внесенных изменений, защите личной информации (логины и пароли) от фальсификации.
SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределенной архитектуре (DCS сокр. от англ. Distributed Control System — распределённая система управления).
Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogiс.
Термин SCADA эволюционировал вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами понимали любые программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. В 90-х годах термин SCADA больше используется для обозначения только программной части АСУ ТП. В некоторых странах синонимом термина SCADA является HMI, хотя данный термин сужает функциональные возможности SCADA-систем.
В России больше распространены SCADA-системы отечественного производства.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМ-ЭВМ-КОМПЛЕКСОВ
Разрабатываются с 1970 годов. Имеется несколько линеек СМ-ЭВМ:
1. Линия АСВТ (Агрегатная система средств вычислительной техники) (СМ-1, СМ-2 и СМ1210) система команд, совместимая с HP-200
2. Линия PDP-11 (СМ-3, СМ-4, СМ-1410, СМ-1420, СМ-1425, СМ-1300, СМ-1300.01, СМ-1600) система команд, совместимая с DEC-PDP11
3. Линия VAX (CM-1700, СМ-1702), усовершенствованная линия VAX720
4. Линия Intel(СМ-18**). На базе процессоров Intel и их клонов.
Самая современная серия СМ-1820М. Выполнена в формате CompactPCI. Масса 4кг, фронтальный доступ. Возможность замены модулей без выключения питания (HotSwap).
Количество вычислительных блоков – 1-2
Процессор – до Intel Pentium 450
ОЗУ – до 512Мбайт.
Flash ПЗУ – до 85Мбайт.
Floppy-дисковод 1.44МБайта.
Жесткий диск – до 8 дисков по 4 ГБайта.
Видеоконтроллер SVGA до 4МБайта видеопамяти
Сетевой контроллер FastEthernet или 4 канала RS-485
Видеомонитор до 29Дюймов (может отсутствовать)
Принтер (может отсутствовать)
До 192 модулей УСО (стандартно 12)
До 24566 каналов ввода-вывода (стандартно – 192)
4. СИСТЕМЫ SCADA-УРОВНЯ; ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
На уровне SCADA (второй уровень) ведется дистанционное наблюдение за протекающим тех. процессом, его графическое отображение на экране, расчет и выбор законов управления, настроек, установок, соответствующих заданным показателям управления и текущими параметрам устройства и прогнозируемым параметрам. Обеспечивается хранение и дистанционная загрузка базовых управляющих программ в соответствующие вычислительные устройства.
Обеспечивается оперативное сопровождение моделей объекта управления типа «модель-техпроцесс». Модели могут корректироваться в соответствии с данными, поступающими с первого уровня.
Осуществляется ведение единой базы данных технического процесса в реальном времени.
Обеспечивается контроль оборудование первого уровня, реконфигурация комплекса для выбора режима, в том числе для перехода на резервную схему в ходе отказа элемента.
Обеспечивается связь с третьим уровнем (MES - Manufacturing Execution System)
Машины этого уровня объединяются в сети.
Итак, перечислим возможности, присущие только некоторым SCADA-системам, но являющиеся актуальными при построении практических систем АСУТП:
Построение распределенных систем. Обычно необходимо наличие нескольких АРМ, которые различаются по функциям или резервируют друг друга. Функциональное распределение осуществляется встроенными в SCADA-систему возможностями: наличие набора пакетов, предназначенных для реализации разных задач, каждый из пакетов может выполняться на разных рабочих местах. При распределении с резервированием необходимо обеспечить информацией нижнего уровня как основные АРМ, так и резервные. Для этого нижний уровень имеет два независимых сетевых выхода. Есть также объединение в сеть верхнего уровня (для управления).
Обмен с внешними приложениями. Обеспечение возможности интеграции с продуктами смежного назначения (СУБД, генераторы отчетов, бухгалтерские и складские программы, электронные таблицы, текстовые процессоры и т.д.). Возможно наличие таких способов взаимодействия как интерфейс прикладного программирования (API) и механизм связывания и внедрения объектов (OLE).
Взаимодействие с СУБД. В первую очередь интересно относительно возможности хранения данных в форматах, удобных для дальнейшей работы сторонних приложений. Наиболее удобный и мощный способ взаимодействия заключается в поддержке языка SQL.
Использование сети Интернет. В первую очередь, это осуществление удаленного контроля и управления техпроцесса, рассылка электронных сообщений об авариях и событиях в ходе техпроцесса.
5. ТРЕБОВАНИЯ К СОВРЕМЕННЫМ УВК; ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕМЕЙСТВ СМ18ХХ
УВК – управляющий вычислительный комплекс.
Основные требования к любому УВК:
Через датчики и исполнительные механизмы происходит непосредственное управление тех процессом. Следовательно, необходимо несколько каналов ввода-вывода (аналоговых и цифровых)
УВК должен своевременно реагировать на сообщения от датчиков (реальное время).
Также стоит заметить, что компоненты УВК размещаются непосредственно в цехах и имеются требования по механической и электрической защищенности.
На втором и выше уровнях ( SCADA, MES, ERP или MRP ) могут находиться универсальные ЭВМ, дополненные модулями ввода-вывода, но особенно на SCADA уровне универсальные ЭВМ в большинстве случаев не могут соответствовать требованиям к помехозащищенности.
Для снятия показания датчиков УВК должен иметь как аналоговые, так и цифровые входы. Для работы УВК с аналоговыми входами (выводы термопар и т.п.) требуется использование АЦП.
Для управления исполнительными устройствами возможно также могут потребоваться как аналоговые, так и цифровые выводы, следовательно необходимо использование ЦАП и усилителей, также для управление к примеру электродвигателями используется ШИМ.
Самая современная серия СМ-1820М. Выполнена в формате CompactPCI. Масса 4кг, фронтальный доступ. Возможность замены модулей без выключения питания (HotSwap).
Количество вычислительных блоков – 1-2
Процессор – до Intel Pentium 450
ОЗУ – до 512Мбайт.
Flash ПЗУ – до 85Мбайт.
Floppy-дисковод 1.44МБайта.
Жесткий диск – до 8 дисков по 4 ГБайта.
Видеоконтроллер SVGA до 4МБайта видеопамяти
Сетевой контроллер FastEthernet или 4 канала RS-485
Видеомонитор до 29Дюймов (может отсутствовать)
Принтер (может отсутствовать)
До 192 модулей УСО (стандартно 12)
До 24566 каналов ввода-вывода (стандартно – 192)
6. СИСТЕМЫ SCADA-УРОВНЯ; ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
При построении автоматизированных систем управления техпроцессами (АСУТП) выделяются два уровня:
Верхний уровень – уровень автоматизированных рабочих мест (АРМ), на котором осуществляется оперативное управление техпроцессом;
Нижний уровень – уровень промышленных контроллеров, на котором замыкаются самые «короткие» контуры управления производством.
В отличие от нижнего уровня, аппаратные средства верхнего отличаются единообразием, а программная поддержка не унифицирована. Однако по мере накопления опыта оказалось, что задачи, стоящие перед создателями верхнего уровня, имеют много общего во всех областях деятельности и легко поддаются унификации. Приведем типичный набор функций программной части, встречающихся во всех проектах автоматизации:
Создание экранных форм отображения технологической схемы процесса в наглядной для оператора форме.
Отображение динамически меняющихся параметров процесса.
Создание изображений органов управления различных типов и обеспечение возможности управления ими.
Фиксация аварийных ситуаций, возникающих в технологическом процессе, и обеспечение возможности информирования оператора о них.
Обеспечение записи информации о ходе техпроцесса с дальнейшим отображением за заданный промежуток времени.
Возможность реализации алгоритмов управления (математ. и логич. вычисления).
Обеспечение связи с контроллерами нижнего уровня.
Применение стандартных пакетов SCADA позволяет резко сократить затраты времени и труда. Современные SCADA-системы работают в рамках существующих операционных систем и используют стандартные протоколы для связи с нижним уровнем.
7. СТРУКТУРА УВК СМ1820М
К общей шине CompactPCI подключены
1. Процессорный модуль, который подключается к гибкому диску, клавиатуре и принтеру
2. До двух SVGA
3. Жесткий диск
4. Модули ввода-вывода, которые могут быть подключены через коммутаторы или развязку к объектам кправления, к локальной сети нижнего уровня и т.п.
5. Модули сети.
8. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ; ПОЛЕВАЯ АРХИТЕКТУРА СО СКВОЗНОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЕЙ «ЦЕХОВОЙ ПЛОЩАДКИ»
Этап 1. Первые распределенные системы. Появление простейших пневматических средств управления технологическими процессами, заменивших ручные, было первым качественным скачком в технологиях автоматизации. Использование сжатого воздуха вполне подходило для пожаро- и взрывоопасных сред и обеспечивало высокую стойкость в агрессивных средах и в условиях сильных электромагнитных воздействий. Развивающиеся математические теории уже обеспечивали достаточно эффективные стратегии автоматического регулирования. Но их применение требовало построения адекватной «вычислительной среды».
Этап 2. Централизация вычислительной среды растущих систем. Чтобы избавиться от сложных соединений на цеховой площадке, стали применять блочные пневматические приборы для щитового (panel-based) монтажа. В этом случае систему управления делили на блоки, содержащие однотипные функциональные модули (например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п.). Большая часть этих блоков устанавливалась в диспетчерских, а воспринимающие и исполняющие устройства оставались размещённым на объекте и подключались к радиальной системе пневмопроводов.
Так после долгого периода управления технологическим процессом «на месте» (field-based) в результате нескольких быстрых изменений появились централизованные диспетчерские с щитовым управлением.
Блочная компоновка с централизованным размещением вычислителей упрощала проектирование, монтаж и эксплуатацию крупных пневмосистем со сложной структурой сигнальных связей. Позднее этот принцип был перенесён в крейтовые микропроцессорные системы (со сбором и обработкой на базе унифицированных многоканальных модулей сопряжения).
Также в этот период появились электронные системы управления на основе ПЛК (программируемые логические контроллеры).
Этап 3. Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки.
Значительные изменения коснулись «микромира» – внутренней структуры ПЛК и связаны с появлением интеллектуальных модулей УСО на основе микроконтроллеров [10, 11], позволивших резко повысить уровень готовности ПЛК за счёт сокращения числа элементов (и проводников) и разделения задач.
Такое решение позволило разгрузить ЦП, перенеся задачи, связанные с управлением периферией, а также нормализацией и линеаризацией сигналов, на уровень интеллектуального модуля УСО. Это привело к резкому сокращению количества операций между ЦП и модулем УСО и сокращению «рассыпной» электроники во всех модулях.
Во многих случаях оказалось, что пропускной способности стандартных последовательных шин вполне достаточно для обеспечения передачи готовых баз данных между ЦП и модулями УСО. Переход от параллельных шин к последовательным позволял резко упростить аппаратуру и сократить количество элементов и проводников, повышая надёжность устройства. Унификация содержания взаимодействия для различных модулей привела к новой модели контроллера – цифровой сети интеллектуальных модулей УСО на базе последовательной шины с поддержкой распространённых протоколов, обеспечивающих достоверность передачи информации.
Полевые шины.
Наиболее значительные преимущества распределённой системы были связаны с выходом внутриконтроллерной последовательной магистрали в «макромир» – с внедрением стандартов на полевые шины, позволившие заменить жгуты 4 – 20 мА одним многоточечным цифровым интерфейсом. Это позволило пространственно «распределить» контроллер по всей цеховой площадке с установкой УСО непосредственно «по-месту».
9. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
Среди характеристик промышленных компьютеров можно выделить:
1. Габариты
2. Масса
3. Система охлаждения
4. Удобство обслуживания
5. Количество каналов ввода-вывода различных типов.
6. Объемы ОЗУ, ПЗУ и накопителей.
7. Наличие видеоадаптера и возможности подключения монитора.
8. Наличие принтера
9. Наличие сетевых контроллеров.
10. Поддержка стандартных интерфейсов модулей расширения.
11. Помехозащищенность и требования к условиям эксплуатации.
В качестве примера рассмотрим характеристики СМ1820М:
Самая современная серия СМ-1820М. Выполнена в формате CompactPCI. Масса 4кг, фронтальный доступ. Возможность замены модулей без выключения питания (HotSwap).
Количество вычислительных блоков – 1-2
Процессор – до Intel Pentium 450
ОЗУ – до 512Мбайт.
Flash ПЗУ – до 85Мбайт.
Floppy-дисковод 1.44МБайта.
Жесткий диск – до 8 дисков по 4 ГБайта.
Видеоконтроллер SVGA до 4МБайта видеопамяти
Сетевой контроллер FastEthernet или 4 канала RS-485
Видеомонитор до 29Дюймов (может отсутствовать)
Принтер (может отсутствовать)
До 192 модулей УСО (стандартно 12)
До 24566 каналов ввода-вывода (стандартно – 192)
10. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ; ЦЕНТРАЛИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
Этап 1. Начало в 1940г. Первые распределенные системы. Управление на местах. Пневматические системы управления.
Этап 2. Централизация вычислительной среды растущих систем.
Чтобы избавиться от сложных соединений на цеховой площадке, стали применять блочные пневматические приборы для щитового (panel-based) монтажа. В этом случае систему управления делили на блоки, содержащие однотипные функциональные модули (например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п.). Большая часть этих блоков устанавливалась в диспетчерских, а воспринимающие и исполняющие устройства оставались размещённым на объекте и подключались к радиальной системе пневмопроводов.
Так после долгого периода управления технологическим процессом «на месте» (field-based) в результате нескольких быстрых изменений появились централизованные диспетчерские с щитовым управлением.
Блочная компоновка с централизованным размещением вычислителей упрощала проектирование, монтаж и эксплуатацию крупных пневмосистем со сложной структурой сигнальных связей. Позднее этот принцип был перенесён в крейтовые микропроцессорные системы (со сбором и обработкой на базе унифицированных многоканальных модулей сопряжения).
Также в этот период появились электронные системы управления на основе ПЛК (программируемые логические контроллеры).
Этап 3. Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки. Снова управление на местах с помощью ПЛК, которые централизованно управляются с помощью производительного компьютера.
11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ COMPACT PCI
CompactPCI представляет собой интерфейс, предназначенный для подключение промышленных компьютеров к цепи питания, PCI-шине и пр.
Представляет собой мультиплексируемую синхронную шину.
Разрядность: 32/64
Скорость передачи данных 132/264MБайт/c
Конструктив формата 3U(100x160) или 6U (233x160)
Пассивная объединительная панель
Высоконадежный пятирядный штырьковый системный разъем с шагом 2мм.
Поддержка до 8 слотов.
Расширение путем мостов PCI-PCI
Работа в режиме автоконфигурации Plug&Play;
Возможность горячей замены модулей без выключения питания
12. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ; ПЕРВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Этап 1. Первые распределенные системы. Появление простейших пневматических средств управления технологическими процессами, заменивших ручные, было первым качественным скачком в технологиях автоматизации. Использование сжатого воздуха вполне подходило для пожаро- и взрывоопасных сред и обеспечивало высокую стойкость в агрессивных средах и в условиях сильных электромагнитных воздействий. Развивающиеся математические теории уже обеспечивали достаточно эффективные стратегии автоматического регулирования. Но их применение требовало построения адекватной «вычислительной среды».
Этап 2. Централизация вычислительной среды растущих систем.
Этап 3. Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки. Снова управление на местах с помощью ПЛК, которые централизованно управляются с помощью производительного компьютера.
13. СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО БЛОКА УВК СМ1820М
Основой СМ1820М является объединительная плата (материнская) ZT6210-01.
К ней подключены:
1. Два блока питания Z6300
2. Модуль последовательных интерфейсов RS-485 (4 канала)
3. Модуль контроллера EIDE ZT6640, к которому подключается жесткий диск.
4. Модуль SVGA ZT6631-V1
5. Модуль локальной сети ZT6650
6. Модуль процессора ZT6501-1A, к котому подключен дисковод магнитных дисков.
страница 1страница 2страница 3страница 4
скачать
Другие похожие работы: