Размещено на http://www.allbest.ru/

Интегрированная технология построения АСУТП на основе нового поколения технических и программных средств семейства СМ1820

д.т.н. Г.А. Егоров,

Аннотация

Приведены технические характеристики управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ (УВК СМ ЭВМ) нового поколения, включая широкий спектр технических и программных средств. Реализация УВК СМ ЭВМ нового поколения направлена на создание отечественной технологической базы автоматизации управления и контроля объектами различной сложности и назначения в реальном масштабе времени.

Современные АСУТП строятся в виде иерархической многоуровневой структуры на базе современных технических и программных средств, реализующих основные информационные и управляющие функции. В типовой структуре АСУТП выделяются следующие уровни:

- уровень датчиков, исполнительных механизмов и аппаратов, интеллектуальных датчиков, микропроцессорных терминалов и других измерительных средств;

- уровень промышленных контроллеров, обеспечивающих сбор и предварительную обработку первичной информации, а также выдачу управляющих сигналов и команд на исполнительные механизмы;

- уровень центральных вычислительных ресурсов, включая серверы и автоматизированные рабочие места, реализующих функции центра управления информационно-технологическими процессами.

Функции современных АСУТП реализуются с помощью комплекса технических и программных средств, представляющих собой распределенную компьютерную систему на базе современных информационных технологий, а также сетевых и каналообразующих ресурсов. Основные функции АСУТП включают:

- сбор первичной информации о параметрах технологических процессов и состоянии оборудования с привязкой по времени в соответствии с условиями и требованиями задач технологического управления;

- обработку информации в темпе протекания технологических процессов и процедур автоматизации с целью предоставления операторскому и другому управленческому персоналу оперативной, учетной и аналитической информации в текстовой, видеографической и аудио формах согласно алгоритмам и сценариям задач технологического управления;

- хранение и архивирование информационных массивов первичной, результирующей и другой управляющей информации в интересах текущих управленческих процессов реального времени, а также для последующего использования в интересах ретроспективного анализа;

- передачу информационного трафика в пределах производственной территории объекта управления между элементами и устройствами технического комплекса АСУТП, включая датчики и измерительные устройства, вычислительные устройства и АРМ персонала в соответствии со стандартными коммуникационными протоколами;

- организацию цифрового информационного канала удаленной связи со службами управления и другими системами автоматизации верхнего уровня для выполнения соответствующих управленческих задач с обеспечением требований по охране и защите информации.

Для выполнения задач автоматизации технологических процессов в соответствии с требованиями технологических задач управления комплекс программно-технических средств АСУТП должен иметь следующие виды ресурсов автоматизации:

- датчики, счетчики, измерительные устройства, исполнительные аппараты и механизмы, предназначенные для съема первичной информации о параметрах технологических процессов и состоянии технологического оборудования, а также для реализации управляющих воздействий и команд;

- быстродействующие вычислительные ресурсы (промышленные контроллеры), реализующие процедуры опроса и взаимодействия с датчиками, измерительными устройствами и исполнительными аппаратами в реальном масштабе времени с циклами опроса порядка 1 - 10 мс;

- вычислительные ресурсы общего назначения с развитыми графическими возможностями и объемными средствами хранения информации для взаимодействия с управляющим персоналом, а также с системами автоматизации верхнего уровня;

- коммуникационные средства, обеспечивающие передачу информации между вычислительными средствами и другими устройствами комплекса АСУТП в соответствии с требованиями по быстродействию и необходимыми объемами трафика в пределах территории объекта управления и за ее пределами для связи с внешними системами автоматизации верхнего уровня.

Архитектура АСУТП, как взаимосвязь компонентов структуры системы, должна строиться с учетом следующих требований и решений:

· Модульный принцип построения технических и программных средств, прикладного и технологического программного обеспечения с использованием лучших образцов отечественных и зарубежных продуктов.

· Комплекс технических программных средств (КТПС) АСУТП должен строиться на основе информационных технологий и продуктов, отвечающих общепринятым международным стандартам, и иметь открытую масштабируемую архитектуру, с расчетом наращивания функциональных возможностей и модернизации.

· КТПС должен строиться в виде совместимого по интерфейсам, протоколам и информационным технологиям взаимоувязанного комплекса технических и программных средств, а также сетевых и каналообразующих ресурсов. КТПС должен соответствовать общим требованиям и принципам открытости, мобильности и масштабируемости (расширяемости).

· Все технические средства, предназначаемые к использованию в АСУТП, должны иметь архитектурную и интерфейсную совместимость, обеспечивающую сопряжение и полную функциональную работоспособность без дополнительной доработки и адаптации для работы в рамках системы.

· Функциональная и территориальная распределенность (децентрализация) компонентов системы, при которой выполнение функций контроля и управления отдельной единицей оборудования в минимальной степени должно зависеть от состояния других компонентов системы, что существенно повышает надежность и живучесть системы.

· АСУТП должна строиться на основе взаимосвязи функций автоматизации технологических процессов как единая интегрированная система.

Комплекс задач и функций АСУТП ПС должен быть открыт для расширения в связи с необходимостью:

· модификации технологических процессов;

· внедрения новых и перспективных информационных технологий, а также технологий управления и регулирования;

· расширения состава и объемов обрабатываемой информации.

При построении АСУТП должен обеспечиваться распределенный, децентрализованный принцип организации управления технологическими процессами, предусматривающий:

· обеспечение гарантированного времени реакции системы на внешние события;

· оперативное оповещение верхних уровней с минимальной задержкой в режиме «тревожного сообщения» о выходе технологических режимов за нормальные пределы и об аварийных событиях;

· регистрацию значений параметров протекания аварийных процессов (построение трендов);

· обеспечение самодиагностики и режимов восстановления элементов и подсистем АСУТП на всех контурах управления;

· обеспечение информацией (по значениям параметров и событиям технологических процессов) верхних уровней управления по запросам и инициативно, по установленным расписаниям.

В настоящее время в ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» завершаются работы по разработке интегрированной технологии создания систем контроля и управления на базе управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ нового поколения.

Основу интегрированной технологии составляют новые технические и программные средства, обеспечивающие создание систем контроля и управления объектами различной степени сложности и назначения в реальном времени, при использовании которых минимизируются затраты на разработку изготовление и сопровождение, повышается уровень надежности, отказоустойчивости и качества функционирования.

К основным характеристикам УВК СМ ЭВМ нового поколения необходимо, прежде всего, отнести:

· использование современной отечественной и зарубежной элементной базы;

· широкий набор протоколов сетевого взаимодействия;

· открытость и соответствие международным требованиям и стандартам;

· функционально-модульную структуру для обеспечения удобства конфигурации и резервирования;

· унифицированное конструктивное исполнение;

· повышенные требования к отказоустойчивости;

· обеспечение требуемого времени реакции;

· наличие специальных исполнений для АСУТП опасных производств;

· развитые инструментальные программные средства для автоматизации проектирования и обслуживания АСУТП.

Номенклатура нового поколения УВК СМ ЭВМ включает управляющие вычислительные комплексы в промышленном исполнении, коммуникационный процессор, промышленные контроллеры модульного и моноблочного типов, программно-инструментальные средства.

На рис. 1 представлена общая структура многоуровневой системы контроля и управления (АСУТП), реализуемая на базе нового поколения УВК СМ ЭВМ. Основу нового поколения УВК СМ ЭВМ составляет широкий спектр технических и программных средств, являющихся развитием линий семейства СМ1800 и СМ1820М [1-4].

управляющий вычислительный автоматизация поколение

Рис. 1.

УВК СМ1820 МВУ-500 предназначен для функционирования на верхнем уровне иерархических систем контроля и управления в качестве сетевого сервера, обладающего высокой степенью защиты информации от внешних несанкционированных воздействий.

УВК СМ1820 МВУ-400 предназначен для функционирования на верхнем уровне систем контроля и управления в качестве автоматизированных рабочих мест диспетчера или сетевого сервера.

Коммуникационный процессор СМ1820М КП5 предназначен для концентрации информации, поступающей от средств управления нижнего уровня - контроллеров и интеллектуальных датчиков, входящих в состав распределенных систем контроля и управления, сопряжения разных протоколов связи, промежуточного хранения принятой информации и информационного обмена с верхним уровнем системы.

Промышленный контроллер модульного типа СМ1820М КПД3 предназначен для приема сигналов от датчиков аналогового и дискретного типов, обработки принятой информации, реализации алгоритмов управления и передачи информации на верхние уровни иерархических систем контроля и управления, выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства аналогового и дискретного типов в соответствии с работой собственных программ или по командам, поступающим с верхних уровней системы управления.

В составе систем управления, создаваемых на базе СМ1820М, могут использоваться, наряду с контроллерами модульного типа СМ1820М КПД3, малоканальные промышленные контроллеры моноблочного типа СМ9107, которые реализуют законченное функциональное решение типовых классов задач в системах автоматического регулирования и системах аварийной защиты в рамках одного технологического узла [5].

Новые программные средства включают в свой состав программно-инструментальные средства для автоматизации программирования систем контроля и управления, а также инструментальные средства программирования контроллеров.

Управляющий вычислительный комплекс СМ1820МВУ-500 является универсальной ЭВМ, выполненной в промышленном варианте, и представляет собой стойку для размещения оборудования формата «Евромеханика», имеет повышенную прочность конструкции, защиту от электрических помех в сети электропитания. УВК СМ1820МВУ-500 предназначен для работы на верхнем уровне автоматизированных систем управления, в том числе на особо ответственных объектах с повышенными требованиями безопасности, таких, как атомные электростанции; обеспечивает сбор, хранение и обработку информации, поступающей по локальным сетям от оборудования нижнего уровня, промышленных контроллеров и других устройств, а также передачу им данных, определяемых прикладными программами систем. УВК СМ1820МВУ-500 может использоваться в качестве сетевого сервера для обработки и хранения данных в АСУТП и работать в сетях Еthernet, RS-232. УВК СМ1820МВУ-500 работает под управлением операционных систем Linux или Solaris. В стойке установлен блок вычислительный, представляющий стандартный
19-дюймовый крейт с источником питания типа ATX с объединительной панелью CompactPCI, обеспечивающей взаимодействие процессорного модуля MBC/C и модуля дисковых накопителей.

Основным устройством, определяющим архитектуру УВК СМ1820МВУ-500, является процессорный модуль МВС/С, построенный на базе отечественных микросхем «система на кристалле» 1891ВМ3. Каждая микросхема 1891ВМ3 содержит два универсальных процессора с архитектурой SPARC с внутренним кэшем первого уровня и общим кэшем второго уровня, а также контроллер оперативной памяти и набор периферийных контроллеров RDMA, Ethernet, SCSI-2, EBus, PCI, RS-232 и клавиатуры/мыши. Тактовая частота - 500 МГц.

Процессорный модуль МВС/С представляет собой 4-машинный комплекс, где каждая машина содержит микросхему 1891ВМ3, оперативную память и постоянную память для начальной загрузки. Каждая микросхема 1891ВМ3 имеет доступ только в свой блок оперативной памяти, а взаимодействие с другими микросхемами 1891ВМ3 осуществляется через каналы удаленного доступа. В качестве базового управляющего канала используется локальная сеть Ethernet, образованная соединением встроенных в микросхему контроллеров Ethernet 100.

Таким образом, процессорный модуль является 8-процессорной вычислительной системой с оперативной памятью до 8 Гбайт и набором периферийных контроллеров.

Управляющий вычислительный комплекс СМ1820МВУ-400 является универсальной ЭВМ, программно совместимой с персональными ЭВМ типа IBM PC, выполненной в промышленном варианте. УВК СМ1820МВУ-400 представляет собой рабочее место оператора, имеет повышенную прочность конструкции, защиту от электрических помех в сети электропитания и предназначен для работы на верхнем уровне автоматизированных систем управления, в том числе на особо ответственных объектах с повышенными требованиями безопасности, таких, как атомные электростанции.

УВК СМ1820МВУ-400 обеспечивает сбор, сохранение и обработку информации, поступающей по локальным сетям от контроллеров нижнего уровня и других устройств, а также передачу им данных, определяемых прикладными программами систем управления, исполняемых под управлением операционных систем Windows, QNX, Linux.

УВК СМ1820МВУ-400 может работать в сетях RS-485, RS-232, RS-422, CAN, в проводных и оптоволоконных сетях Еthernet .

Конструктивно УВК СМ1820МВУ-400 выполнен в виде стола с тумбами. В зависимости от количества видеомониторов, входящих в его состав, он может быть выполнен в одной или нескольких тумбах и иметь от одного до четырех мониторов.

УВК СМ1820МВУ-400 удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости по ГОСТ Р 50746-2000. Группа исполнения - III, степень жесткости испытаний устанавливается по ГОСТ Р 50746-2000.

Вычислительная часть УВК СМ1820МВУ-400 состоит из блока системного СМ1820М-Е.2.30.6 в корпусе 19", включающего системную плату Micro ATX в промышленном исполнении с процессором фирмы Intel.

Для обеспечения надежности питания УВК в его состав входят источник бесперебойного электропитания и блок ввода электропитания, обеспечивающий фильтрацию помех от сети.

Двери тумб снабжены резиновыми уплотнителями и запираются специальными замками. С помощью деталей, входящих в комплект монтажных частей, обеспечивается крепление тумб к полу. Подвод кабелей от внешних объектов и сети электропитания (220 В) к УВК должен осуществляться из кабельного канала через нижнее окно тумбы, снабженное панелями с уплотнителями. На столешнице предусмотрены кабельные вводы для прохождения кабелей от периферийных устройств, входящих в состав УВК. Видеомониторы и клавиатура, размещенные на столешнице, прикреплены к столешнице винтами, не допускающими их смещение при механических воздействиях.

Коммуникационный процессор СМ1820М КП5 предназначен для концентрации информации, поступающей от средств управления нижнего уровня - контроллеров и интеллектуальных датчиков, и передачи ее на верхний уровень управляющей системы.

СМ1820М КП5 обеспечивает подключение устройств со следующими интерфейсами: RS-232, RS-485/422, CAN, Ethernet 10/100 BaseTX, Ethernet 100 BaseFX, Ethernet IEEE 802.11b (g). Количество и тип интерфейсных каналов определяется заказной спецификацией.

Основой КП является коммуникационный блок А1, состоящий из модуля центрального процессора В1 со встроенным интерфейсом Ethernet 10/100, модуля дополнительного интерфейса Ethernet 10/100 В2 (опция), коммуникационных модулей В3…В11, обеспечивающих связь по протоколам RS-232, RS-485, RS-422, CAN (по выбору), и модуля электропитания В12. Конструктивно блок А1 представляет собой монтажный каркас и пассивную объединительную плату формата MicroPC (крейт).

Блок А2 - блок двухфидерного питания, обеспечивает питание КП по двум независимым линиям и автоматическое переключение в случае пропадания напряжения на одном из фидеров. Также блок обеспечивает фильтрацию питающего напряжения и защиту КП от импульсных помех в сети питания. Может поставляться в упрощенной конфигурации с питанием от одного фидера.

Блоки А3 и А4 - оптические коммутаторы Ethernet. Предназначены для подключения КП к оптоволоконным линиям связи с сервером. Блоки опциональные и могут не устанавливаться, когда нет нужды в оптоволоконных каналах Ethernet. Могут быть установлены коммутаторы WiFi стандартов IEEE 802.11b (g) и другие интерфейсы для организации обмена с внешними системами.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема КП СМ1820М КП5

Блоки А5…А8 - оптические трансиверы. Преобразуют интерфейсы RS-232/RS-485/RS-422 в оптоволоконные линии. Показано четыре трансивера, но их количество определяется проектом системы и может быть иным. Возможно подключение радиомодемов или GSM/GPRS-модемов для организации беспроводной связи.

Всего в одном КП может быть реализовано до 40 каналов интерфейса RS-485, или 20 каналов RS-232/RS-422 или CAN, или комбинации из каналов RS-485, RS-232/RS-422 и CAN и до 2-х каналов интерфейса Ethernet 10/100.

В КП могут использоваться следующие модули:

- модуль центрального процессора класса не ниже Pentium (например, модуль процессора МП7 или CPC10601);

- контроллер сети Ethernet 10/100 BaseTX - МС-Ethernet100;

- модуль МС-CAN для сопряжения с интерфейсом CAN;

- модуль сетевой МС485PC, обеспечивающий связь по двум оптоизолированным каналам RS-422/485 или двум каналам RS-232;

- модуль сетевой МС485PC1, обеспечивающий связь по четырем изолированным каналам RS-485;

- блок питания, устанавливаемый в монтажный каркас MicroPC;

- модуль кроссовый сетевой МКС1.2 для подключения коммуникационных кабелей;

- трансивер Ethernet 10/100 BaseTX - Ethernet 100 BaseFX (оптоволокно);

- коммутатор Ethernet 10/100 BaseTX - IEEE 802.11b (g);

- оптический бокс для 4-х оптоволоконных линии;

- модуль питания трансивера и коммутатора.

Конструктивно КП выполнен в навесном шкафу. Конструкция шкафа обеспечивает степень защиты не ниже IP54. Габаритные размеры шкафа - 850х600х275 мм. В шкафу устанавливается монтажная панель, на которую крепятся монтажный каркас и кроссовые модули. Ввод кабелей осуществляется через гермовводы. Количество и диаметр гермовводов определяется заказной спецификацией.

Промышленные контроллеры СМ1820М КПД3 предназначены для обработки информации от датчиков, исполнения управляющих алгоритмов, выдачи команд на исполнительные устройства, передачи данных на верхние уровни системы и исполнения команд, поступающих от них.

Вариант возможной структурной схемы промышленных контроллеров СМ1820М КПД3 показан на рис. 3.

Основой контроллера является блок А1 - блок программируемого контроллера, в состав которого входят: В1 - планка с разъемами RS-232C и RS-485, В2 - модуль процессора, В3…В7 - модули ввода-вывода сигналов (показано пять модулей, максимум до 10 модулей), В8 - блок питания, К1…К3 - соединительные кабели. Блок А2 - кроссовое поле, состоящее из кроссовых модулей В1…В10 (максимум до 20 модулей). Блок А3 - блок подключения электропитания (обеспечивает питание от двух фидеров с автоматическим переключением); К1…К15 - соединительные кабели и провода.

Предусматривается возможность использования различных типов процессорных модулей (В2) - Intel 386/486, Pentium, SC 13.

Блоки А1…А3 смонтированы внутри металлического настенного шкафа, обеспечивающего степень защиты до IP54. Габаритные размеры шкафа - 850х600х275 мм. В шкафу устанавливается монтажная панель, на которую крепятся монтажный каркас и кроссовые модули.

Состав и количество модулей, содержащихся в контроллере, определяется требования к системе управления, частью которой он является.

В номенклатуру модулей контроллера СМ1820М КПД3 входят модули ввода и вывода дискретной и аналоговой информации различных типов, модули сопряжения с различными интерфейсами из номенклатуры модулей коммуникационного процессора СМ1820М КП5. Это возможно благодаря единству конструкции и системного интерфейса. Контроллеры СМ1820М КПД3 могут использоваться не только в составе сетей, но и автономно. Их архитектура позволяет использовать операционные системы типа QNX, Linux.

Рис. 3. Структурная схема контроллера СМ1820М КПД3

Инструментальные средства программирования контроллеров (ИСПК) обеспечивают возможность разработчикам прикладных программ, в том числе техническому персоналу объекта автоматизации, описывать задачи в категориях, близких к самому объекту автоматизации [6, 7]. Применяемые языки программирования соответствуют требованиям стандарта МЭК-61131-3 и позволяют создавать программы, понятные технологам на объекте автоматизации.

В состав ИСПК входят:

- графическая система программирования;

- комплекс библиотек стандартных алгоблоков;

- подсистема моделирования со средствами отладки;

- исполняющая система, портируемая в контроллеры;

- комплекс сетевых программ, обеспечивающих проектную компоновку пространственно-распределенной контроллерной сети;

- сервер ОРС, обеспечивающий взаимодействие со стандартными SCADA-системами;

- сервер ODBS, обеспечивающий взаимодействие со стандартными базами данных.

Программно-инструментальные средства для автоматизации программирования систем контроля и управления обладают основными возможностями SCADA-систем. Разработка собственных программно-инструментальные средства для автоматизации программирования систем контроля и управления необходима для того, чтобы обеспечить их открытость, масштабируемость, лицензионную чистоту как важнейших технико-экономических характеристик конечного продукта - системы управления объектом.

Будучи построенными по модульному принципу, они включают в свой состав следующие базовые компоненты:

· сервер управления переменными, оперирующий как внутренними переменными для проведения логических операций, так и внешними для переноса и обработки поступающей информации;

· систему архивирования хронологии технологического процесса для возможности проведения последующего анализа работы технической системы;

· систему быстрого выявления аварийных ситуаций с подробными журналами произошедших событий и удобным пользовательским интерфейсом для доступа к этим журналам с целью быстрого поиска и устранения источника аварии;

· графический редактор, позволяющий быстро и легко создавать мнемосхемы на основе библиотеки стандартных графических объектов, связывать их с переменными и задавать способы изменения параметров этих объектов, а так же, в некоторых случаях, варианты значений изменяемых параметров;

· модуль режима исполнения, который позволяет отображать мнемосхемы на экране, оперировать с их иерархией, а так же производить манипуляции с самими графическими объектами с целью внесения корректировок в течение технологического процесса;

· систему разработки алгоритмов взаимодействия переменных в режиме исполнения, основанную на построении логических схем на базе библиотечного набора элементов;

· встроенный язык сценариев высокого уровня для возможности создания более сложных алгоритмов взаимодействия переменных, а также для взаимодействия с внешними приложениями по средствам обмена сообщениями;

· систему генерации технологических отчетов, позволяющую выводить протоколы и графики на печать как в ручном, так и в автоматическом режиме с использованием механизмов планирования;

· службу резервирования для повышения надежности системы в режиме исполнения при сборе и архивировании информации с возможностью синхронизации архивов при простое одного из серверов;

· службу сохранения архивов производственного процесса и технических сообщений на долгосрочных носителях с возможностью последующего восстановления и графического представления данных для изучения и проведения анализа с помощью системы генерации технологических отчётов;

· внешний программный интерфейс для предоставления пользователям дополнительных возможностей по связи системы с их источниками данных, реализованный при помощи технологии COM (Component Object Model - компонентная объектная модель);

· модуль оперирования различными системам управления базами данных (СУБД), такими как: FireBird, Sybase и MS SQL Server;

· модуль поддержки многомониторного режима работы, обеспечивающий в режиме исполнения отображения мнемосхем на произвольное число дисплеев, что даёт возможность выводить на экран одновременно большее количество важной информации без ущерба качеству отображения.

Представленная номенклатура технических и программных средств УВК СМ ЭВМ нового поколения в полной мере удовлетворяет требованиям к системам контроля и управления различной степени сложности и назначения.

Литература

1. Гиглавый А.В., Кабанов Н.Д., Прохоров Н.Л., Шкамарда А.Н. СМ1800: Архитектура, программирование, применение. - М.: Финансы и статистика, 1984.

2. Прохоров Н.Л., Егоров Г.А., Красовский В.Е., Тювин Ю.Д., Шкамарда А.Н. Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие. / Под ред. Н.Л. Прохорова. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика, 2003.

3. Глухов В.И. СМ1800: Дорога длиной в тридцать лет // История науки и техники. - 2008. - № 5.

4. Комплексы СМ1820М в системах автоматизации технологических процессов на атомных станциях / Н.Л. Прохоров, В.И. Глухов и др. // Вопросы радиоэлектроники. Серия «Электронная вычислительная техника». - Вып. 2. - 2008.

5. Островский М.А., Рейзман Я.А., Красовский В.Е. Промышленные контроллеры МИК 9107 для автоматизации технологических процессов // Приборы. - 2006. - № 3.

6. Рейзман Я.А. Индустриальная технология программирования специализированных и встраиваемых контроллеров для систем полевой автоматики // Приборы. - 2006. - № 3.

7. Прохоров Н.Л., Рейзман Я.А., Егоров Г.А., Красовский В.Е., Островский М.А. Технологии проектирования АСУТП: Учеб. пособие. - М.: МИРЭА, 2006.

Размещено на Allbest.ru