Архитектуры систем автоматизированного управления
Требования к архитектуре автоматизированной системы Архитектура автоматизированной системы — это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Элементы (компоненты) архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. В то же время архитектура оставляет достаточно свободы для выбора конкретных технических решений. Правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализаций путем выбора различных компонентов архитектуры и методов взаимодействия между ними. Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, программируемых логических контроллеров (ПЛК), компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации. Архитектуру создает архитектор. Основным требованием к архитектору является знание предметной области (принципов функционирования объекта автоматизации) и знание технических характеристик аппаратных и программных средств, используемых для построения системы.
При построении архитектуры должны быть заложены следующие свойства будущей автоматизированной системы управления: • • • • слабая связанность элементов архитектуры между собой (т. е. декомпозицию системы на части следует производить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались контуры автоматического регулирования); тестируемость (т. е. возможность установления факта правильного функционирования системы и отдельных её компонентов); диагностируемость (возможность нахождения неисправной части системы); ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта); надежность (обеспечение её заданного уровня, например, путем резервирования); простота обслуживания и эксплуатации (определяет минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала); безопасность (обеспечение соответствия требованиям промышленной безопасности и технике безопасности); защищенность системы от неквалифицированных пользователей или вандалов; экономичность (экономическая эффективность в процессе функционирования); модифицируемость (возможность перенастройки для работы с другими технологическими процессами); функциональная расширяемость (возможность ввода в систему дополнительных функциональных возможностей, не предусмотренных в техническом задании); наращиваемость (масштабируемость, т. е. возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации); Открытость (т. е. способность взаимодействовать с другими системами и компонентами;
Архитектура системы может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации. Такими задачами могут быть: • мониторинг (продолжительные измерение и контроль с архивированием полученной информации); • автоматическое управление (в системе с обратной связью или без нее); диспетчерское управление (управление с помощью человекадиспетчера, который взаимодействует с системой через человекомашинный интерфейс); • обеспечение безопасности. Любая из перечисленных задач может выполняться на большом расстоянии между объектом автоматизации и системой. В этом случае говорят о задачах телемеханики (дистанционные измерение, управление, сигнализация). Однако в связи с тем, что каналы дистанционной связи (Интернет, радиоканал, оптико-волоконный канал, проводной канал) органично входят практически в любую систему автоматизации, задачу телемеханики все реже выделяют как самостоятельную.
Системы мониторинга (наблюдения) за физическими процессами не содержат исполнительных устройств или используют электромагнитные (реже полупроводниковые) реле для коммутации измерительных цепей. Рис. 1. Система мониторинга Внешние устройства, не имеющие гальванически изолированного порта, обычно подключают к компьютеру через изолирующие преобразователи интерфейсов, которые защищают компьютер от случайного попадания высокого напряжения в случае аварии или небрежного обращения.
Сосредоточенная (централизованная) система автоматизации Рис. 2. Простейший вариант автоматизированной системы с одним компьютером, одним устройством ввода и одним устройством вывода
Распределенные системы автоматизации С ростом количества датчиков, увеличением площади территории, на которой расположена автоматизированная система и усложнением алгоритмов управления становится более эффективным применение распределенных систем. Распределенные системы состоят из множества территориально разнесенных управляющих контроллеров и модулей ввода-вывода. При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритма ее работы становятся подобны структуре самого объекта автоматизации, а функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества контроллеров. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. В частности, технологическое оборудование, как правило, выпускается с уже встроенными ПЛК. Тенденция децентрализации управления и приближения контроллеров к объектам управления является общей для всех систем автоматизации и отчасти навеяна успехами объектно-ориентированного программирования. Кроме того, сосредоточенная система может являться частью или частным случаем распределенной, поэтому появление распределенных систем является следствием естественного развития от частного к общему.
Распределенную систему управления (РСУ, DCS — Distributed Control System) можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи. В предельном случае элементы системы могут находиться на разных континентах земного шара, а связь между ними может выполняться через Интернет. В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устройства, например ПЛК или разнесенные в пространстве модули вводавывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере. Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.
Распределенная система имеет следующие характеристики, отличающие ее от сосредоточенной: • большее быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими процессорами; • повышенную надежность (отказ одного из контролеров не влияет на работоспособность других); большую устойчивость к сбоям; • более простое наращивание или реконфигурирование системы; упрощенную процедуру модернизации; • большую простоту проектирования, настройки, диагностики и обслуживания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из модулей системы; • улучшенную помехоустойчивость и точность благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов от датчиков к устройствам ввода; • меньший объем кабельной продукции, пониженные требования к кабелю и более низкая его стоимость; • меньшие расходы на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства. Распределенная система смягчает также требования к операционным системам (ОС) реального времени, поскольку задачи распределены между параллельно работающими контроллерами, на каждом из которых установлена отдельная ОС. При этом сложность отдельной ОС уменьшается.
Для эффективного проектирования распределенных систем автоматизации необходимы строгие методы их описания. Необходимо также обеспечить совместимость и взаимозаменяемость между собой всех устройств, входящих в систему и выпускаемых разными производителями. Для этих целей был разработан международный стандарт МЭК 61499 «Функциональные блоки для индустриальных систем управления» . Он использует три уровня иерархии моделей представления при разработке распределенных систем: • модель системы, • модель физических устройств и • модель функциональных блоков. Особенностью функциональных блоков стандарта МЭК 61499 является то, что они учитывают не только традиционное инициирование выполнения алгоритма с помощью тактирования или временного расписания, но и по признаку наступления некоторых событий (событийное управление). Событийное управление является более общим, а тактирование можно рассматривать как его частный случай, заключающийся в периодическом появлении одного и того же события (сигнала тактирования). Модели всех уровней в соответствии со стандартом представляются в виде функциональных блоков, которые описывают процесс передачи и обработки информации в системе.
Модель распределенной системы автоматизации В соответствии со стандартом МЭК 61499 распределённая модель может быть представлена как набор физических устройств (например, ПЛК), взаимодействующих между собой с помощью одной или нескольких промышленных сетей. Сети могут иметь иерархическую структуру. Рис. 3. Модель распределенной системы автоматизации в соответствии со стандартом МЭК 61499
Модель физического устройства Каждое физическое устройство в распределенной системе должно содержать по крайней мере один интерфейс к объекту управления или к промышленной сети и может содержать несколько (в том числе ноль) ресурсов. При этом устройство по МЭК 61499 рассматривается как конкретный экземпляр определенного типа устройств, по аналогии с объектно-ориентированным программированием. Рис. 4. Пример модели одного из устройств, показанных на рис. 3 (например, ПЛК 2) по стандарту МЭК 61499. Стрелками показаны потоки данных и событий
Модель ресурса Ресурс рассматривается как функциональная единица, которая содержится в устройстве (например, в ПЛК), имеет независимое управление своими операциями и обеспечивает различные сервисные функции (сервисы) для программного приложения, включая планирование и исполнение алгоритмов. Ресурс может быть создан, сконфигурирован, параметризован, запущен (стартован), удален и т. п. без воздействия на другие ресурсы устройства. Рис. 5. Модель ресурса распределенной системы по стандарту МЭК 61499 Примером ресурса может быть память и время, выделенные для выполнения задачи в центральном процессоре.
В функции ресурса входит прием данных или событий от объекта управления или коммуникационного интерфейса, обработка данных и событий и возврат данных и событий в процесс или промышленную сеть, в соответствии с алгоритмом работы программного приложения, использующего данный ресурс. Ресурс моделируется следующими элементами: • • локальным приложением, расположенным в данном физическом устройстве, или частью распределенного приложения. Данные и события, обрабатываемые в локальном приложении, принимаются со входов функциональных блоков (ФБ), которые выполняют операции, необходимые программному приложению; отображение событий и данных между программным приложением и объектом управления выполняется специальным функциональным блоком интерфейса; отображение событий и данных между программным приложением и коммуникационным интерфейсом выполняется таким же специальным функциональным блоком интерфейса; функция планирования выполняет передачу информации и исполнение программного приложения в соответствии с временными требованиями и очередностью, определяемой появлением событий, взаимодействием между функциональными блоками, а также приоритетами или периодом исполнения задач.
Модель программного приложения Программное приложение состоит из сети функциональных блоков, ветви которой переносят данные и события. Поток событий определяет выполнение алгоритмов, содержащихся в функциональных блоках. В состав функциональных блоков могут входить и другие программные приложения (субприложения). Рис. 6. Модель приложения распределенной системы по стандарту МЭК 61499 Программные приложения могут быть распределены между несколькими ресурсами в одном или в нескольких устройствах (ПЛК). Ресурс реагирует на события, поступающие из интерфейсов, следующими способами: • планированием и исполнением алгоритма; • модифицированием переменных; • генерацией ответных событий; взаимодействием с интерфейсами.
Архитектура системы с общей шиной Архитектура распределенной системы промышленной автоматизации на основе общей шины показана на рис. 7. Для того чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Рис. 7. Пример архитектуры распределенной системы сбора данных и управления
Многоуровневая архитектура Рис. 8. Типовая современная распределенная система автоматизации, включающая три уровня иерархии
Применение Интернет-технологий Управление и мониторинг через Интернет привлекательны еще тем, что могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). Такая возможность особенно важна для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также для корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах. • • • снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на трудно доступном объекте); снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению программного обеспечения через Интернет — уменьшаются затраты на командировки; возможность контроля состояния производственного или технологического процесса или управления им через мобильный телефон; возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр. ; широкий выбор готовых (имеющихся в продаже) технических решений, аппаратных и программных продуктов для работы с Интернетом
Принципы управления через Интернет Существует два различных способа управления через Интернет, на основе которых построен ряд коммерческих продуктов: I способ – использование удаленного терминала II способ – деление SCADA-пакета на серверную и клиентскую части. Удаленный терминал можно представить себе как удлинение проводов мыши, клавиатуры и монитора с помощью Интернета, при этом визуализация выполняется в окне веб-браузера, а на компьютер через Интернет передаются только сигналы от мыши и клавиатуры. Управляемая программа исполняется на удаленном от пользователя компьютере, на котором устанавливается специализированный веб-сервер. Второй способ удаленного управления через Интернет основан на делении SCADA-пакета на серверную и клиентскую части. Клиентская часть представляет собой веб-браузер, который просматривает специализированную веб-страницу, находящуюся на веб-сервере. На этой странице создается специализированный интерфейс с графикой и анимацией. Данные между клиентом и сервером могут пересылаться в виде сообщений SOAP (Simple Object Access Protocol), которые используют транспортный протокол HTTP. Сообщения SOAP используют гибкую грамматику языка XML. SOAP активизирует два процесса, которые могут находиться на разных компьютерах, но взаимодействуют друг с другом независимо от программных и аппаратных платформ, на которых они реализованы.
Рис. 9. Архитектура автоматизированной системы, использующей Интернет
Скачать презентацию Архитектуры систем автоматизированного управления Требования к архитектуре
Л14. Архитектуры систем управления.ppt