Автоматизация производственных процессов (промышленная автоматизация)

Статьи

Эффективность современного производства целиком и полностью зависит от качества и возможностей выбранной системы автоматизации предприятия.

Подготовка сырья, управление технологическими агрегатами и процессами, мониторинг основного и вспомогательного оборудования, управление аварийными ситуациями, учёт экономических показателей, расчет эффективности производства, повышение безопасности технологического процесса – всё это является перечнем основных задач, которые решают автоматизированные системы управления на предприятиях.

Автоматизация производственных процессов строится в соответствии с выбором типа автоматизированной системы управления АСУ.

Автоматизированные системы управления

На сегодняшний день, в зависимости от масштаба производства, его специфики и предъявляемых к нему требований, используют 2 основных принципа построения архитектуры АСУ:

  • PLC
  • DCS

Основным компонентом первой системы является программируемый логический контроллер (отсюда и название - PLC), который осуществляет управление вверенного ему участка производства.

Структура PLC довольно проста, работает в автоматическом режиме, однако не предусматривает исполнения контроля над непрерывными технологическими процессами.

Системы DCS целесообразно применять для управления непрерывными процессами и, особенно, в крупномасштабных производствах, где абсолютно исключён останов оборудования, а также в тех случаях, когда особенности АСУ предполагают её дальнейшее расширение и развитие.

Дальнейшее развитие автоматизированных систем управления возможно только в рамках концепции DCS, как наиболее гибкой, функциональной, универсальной и расширяемой.

PLC-системы

PLC-системы удобно применять для управления последовательными технологическими процессами (например, конвейерами, робототехникой), где выполнение отдельных операции требует практически мгновенного отклика со стороны автоматики и требуется жёстко синхронизированная по времени работа нескольких участков или управляемых узлов.

Структура PLC представляет собой наиболее простой класс в современных АСУ.

Такие системы нельзя назвать гибкими в плане расширения, т.к., система структурирована таким способом, что каждая технологическая установка управляется только своим контроллером.

Соответственно, такая АСУ полностью базируется на принципе технологического «разбиения» общего производства на отдельные стадии и сегменты, управляемые и обслуживаемые своими микро-компьютерами – программируемыми логическими контроллерами (ПЛК).

ПЛК объединяются в сеть с помощью цифровой шины. По ней же они обмениваются различными данными для взаимодействия между собой для обеспечения согласованной работы отдельных участков производства.

При этом системы PLC на «отведённом» им участке или этапе технологического процесса работают в полностью автоматическом режиме и не требуют непрерывного контроля со стороны оператора.

В зависимости от области производства и стоящих задач, контроллеры программируются таким образом, чтобы они непрерывно выполняли возложенный на них цикл операций: считывание сигналов с датчиков, логическая обработка полученных данных по заданному алгоритму и, наконец, выдача управляющего сигнала с последующей его передачей на исполнительные механизмы.

К системам класса PLC не предъявляются требования отказоустойчивости системы управления, поскольку в случае непредвиденного останова производственного процесса, работа всей системы может быть возобновлена в кратчайшие сроки без ущерба предприятию или же с минимальными потерями.

DSC-системы

К классу DSC относятся значительно более сложные, гибкие и универсальные автоматизированные системы управления.

В отличие от PLC они построены по модели многоуровневой архитектоники АСУ, имеют комплексную структуру и легко расширяемы.

При этом очень важно учитывать тот факт, что к построению систем DSC в первую очередь предъявляется главное требование – стабильная отказоустойчивость.

Её можно достичь, например, путём «резервирования» ресурсов и возможностей аппаратных/программных компонентов общей системы. А также за счёт внедрения передовых средств диагностики и осуществления непрерывного контроля системы со стороны операторов при должном уровне технического обслуживания.

Возможности DSC позволяют эффективно автоматизировать сложнейшие и значительные по площади технологические участки, производственные цеха и даже целые предприятия.

Ресурсы таких систем рассчитаны на одновременную обработку до 50 000 сигналов и параметров со входов ввода/вывода тех.процесса, что соответствует, например, крупному нефтеперерабатывающему заводу.

Поскольку DSC часто используются для управления огромными промышленными комплексами и способны охватывать множество территориально удаленных объектов (порой, разделённых между собой заметным километражем), то такие системы должны отвечать требованиям масштабируемости и быть просты в разработке и конфигурировании.

Масштабируемость DSC предполагает возможность расширения таких систем, чтобы охватить новые производственные участки. При этом расширение системы должно происходить без остановки уже введенных в эксплуатацию производственных участков, а сама система должна идеально подходить для автоматизации как одной установки, так и всего предприятия.

Как правило, конфигурирование таких масштабных систем - всегда сложная задача. Поэтому система должна быть построена таким образом, чтобы позволить инженерам воспользоваться целым набором предварительно подготовленных программных компонентов и готовых средств разработки.

Для DSC характерна единая конфигурационная база системы. Например, изменения, выполненные в одном программном модуле системы, автоматически должны отражаться во всех взаимосвязанных с ним модулях.

Большинство современных DCS-систем построены по трёхуровневой модели.

Нижний уровень занимают сенсорные и регистрирующие приборы (датчики, приборы контроля, исполнительные механизмы и тд.). Поступающие с них электрические сигналы в подсистеме ввода/вывода оцифровываются и передаются по соответствующим шинам в контроллер для последующей обработки и анализа.

Подсистема ввода/вывода функционирует и в обратном направлении: контроллер может выдать по той же самой шине управляющую команду с дальнейшим её переводом из цифровой формы в электрический сигнал, который по кабелю передаётся на исполнительный механизм.

Промежуточный уровень DCS занимают мощные контроллеры CPU (ЭВМ специального промышленного назначения), которые циклически обрабатывают поступающую из подсистемы ввода/вывода информацию в соответствии с заложенными алгоритмами управления и выдают обратно управляющее воздействие на элементы системы.

Важной особенностью этих контроллеров является способность изменять алгоритмы управления в процессе управления в реальном времени. То есть, без остановки технологического процесса. И возможность резервирования ресурсов разнообразных технологических модулей системы.

В решении сложных комплексных задач, эти контроллеры способны обмениваться между собой данными через коммуникационные сети.

На верхнем уровне (операторского управления) в системах DCS объединены сервера и операторские рабочие станции.

Коммуникацию со всеми типами контроллеров (нижнего и среднего уровней) осуществляют выделенные сервера, в базу данных которых заносятся все события и изменения технологических параметров общей системы в реальном времени.

Обмен данных только между выделенными серверами ведут операторские рабочие станции, которые служат для наиболее эффективного управления технологическими процессами.

При этом они позволяют в удобном наглядном виде отображать всю поступающую к операторам информацию в виде интерактивных графических мнемосхем: параметры ввода/вывода, аварийные сигналы, значения переменных процесса, оценочные значения диагностики аппаратных модулей системы в виде графиков, отчётов, диаграмм, таблиц и схем.

Количество операторских станций в DCS может достигать нескольких десятков.

В качестве дополнительной «надстройки» к верхнему уровню системы DCS в ряде случаев выделяют инженерные станции. Это платформы, на которых устанавливаются дополнительные программные ресурсы и средства разработки, благодаря которым специалист может, как изменять конфигурацию системы, так и централизовано вносить в неё изменения.

Инженерные станции должны быть дополнены значительно расширенными средствами диагностики общего состояния системы. Например, в отличие от операторских станций, они всегда поддерживают прямую связь с контроллерами всех уровней.

Система SCADA

Система SCADA используется для сбора данных с объектов управления, их обработки и отображения информации на экране монитора в операторском центре.

Позволяет осуществлять непрерывный мониторинг и диспетчерский контроль всех звеньев отдельного производства или множества удалённых объектов в рамках единого комплекса (например, нефте-/газопроводы, электрические подстанции, дизель-генераторы).

В SCADA также ведётся единая база данных по всем событиям, управление аварийной сигнализацией и мониторинг по тревожным событиям, архивирование информации и формирование подробных отчётов о протекании технологических процессов, обеспечение связи с внешними приложениями (системами управления базами данных и т.д), коммуникация по линиям цифровой связи между удалёнными терминалами.