Архитектура компьютерных систем управления Компьютерные системы управления относятся к классу систем сбора и распределения данных. Система сбора данных: датчики – АЦП – микропроцессор (компьютер, контроллер). Система распределения данных: Микропроцессор (компьютер, контроллер). – ЦАП – исполнительные устройства.

Основные составные части компьютерных систем управления Датчики (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.) – первичные преобразователи физической величины в электрический сигнал. Измерительный преобразователь - обеспечивает нормализацию сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения, обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т.п.). Измерительные преобразователи могут иметь встроенный АЦП или ЦАП, а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части системы. Модули аналогового ввода – устройства, предназначенные для ввода в компьютер аналоговых сигналов. Универсальный - воспринимает сигналы напряжения в диапазонах ±150 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±5 В, ±10 В и тока в диапазоне ±20 мА. Специализированный – например, работает только с термопарами и содержит встроенные во внутреннюю память модуля таблицы поправок для компенсации нелинейностей термопар и температуры холодного спая. Модули дискретного ввода - не содержат АЦП и позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков открывания двери, пожарных датчиков и т. п.). Уровни входных сигналов могут изменяться в диапазоне, как правило, В или В. Устройства счетного ввода - имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.

Основные составные части компьютерных систем управления Компьютер (контроллер) принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Коммуникации между компьютером и устройствами ввода-вывода выполняются через последовательные интерфейсы, например, USB, CAN, RS-232, RS-485, RS-422, Ethernet или параллельный интерфейс LPT. Вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. В последнее время наметилась тенденция стирания грани между компьютером и контроллером. С одной стороны, контроллеры позволяют подключить монитор, мышь и клавиатуру, с другой стороны, появилось большое количество промышленных компьютеров, которые имеют специальное конструктивное исполнение и другие свойства, характерные для контроллеров. Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для управления клапанами, насосами и другими исполнительными устройствами. Частотный сигнал используется обычно для управления средней мощностью устройств с большой инерционностью с помощью широтно-импульсной модуляции.

Что такое архитектура компьютерной системы управления Архитектура компьютерной автоматизированной системы (компьютерной системы управления) это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Элементы архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. Правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализации путем выбора различных компонентов архитектуры и методов взаимодействия между ними. Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации.

Свойства автоматизированной системы 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 (возможность установления факта правильного функционирования); диагностируемость (возможность нахождения неисправной части системы); ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта); надежность (например, путем резервирования); простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала); безопасность (соответствие требованиям промышленной безопасности и технике безопасности); защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользователей; 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 (возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации); открытость; возможность переконфигурирования системы для работы с новыми технологическими процессами; максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов; минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы.

Типовые задачи автоматизации 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 человека- диспетчера, который взаимодействует с системой через человеко- машинный интерфейс); обеспечение безопасности.

Декомпозиция системы Построение любой АСУ начинается с декомпозиции (деления на части) системы на подсистемы. Декомпозиция может быть функциональной (алгоритмической) или объектной. При объектной декомпозиции используются распределенные системы управления, когда каждый объект автоматизации оборудуется локальным технологическим контроллером, решающим задачи в пределах этого объекта. При функциональной декомпозиции систему автоматизации делят на части, группируя сходные функции, и для каждой группы функций используют отдельный контролер. Оба вида декомпозиции могут быть использованы совместно. Выбор способов декомпозиции является творческим процессом и во многом определяет эффективность будущей системы. Независимо от метода декомпозиции, основным ее результатом должно быть представление системы в виде набора слабо связанных частей. Слабая связь между частями системы означает отсутствие между ними обратных связей или малость модуля петлевого усиления при наличии таких связей, а также отсутствие интенсивного обмена информацией.

Простейшая система Изображенная на рис. 1.1 система в зависимости от ее назначения и программного обеспечения может быть системой сбора данных, системой диспетчерского или автоматического управления, системой контроля, испытаний, диагностики и т.д. Это простейший вариант автоматизированной системы, построенной на основе одного компьютера (контроллера), устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств (актуаторов). На рис. 1.1 датчики подсоединены к одному многоканальному измерительному преобразователю. Однако различные типы датчиков могут требовать различных типов преобразователей или работать вообще без них. Некоторые типы интеллектуальных датчиков имеют интерфейс RS-485 и могут подключаться непосредственно к компьютеру (контроллеру). Системы мониторинга (наблюдения) за физическими процессами не содержат исполнительных устройств или используют электромагнитные (реже полупроводниковые) реле для коммутации измерительных цепей. Обычный офисный компьютер в стандартной конфигурации имеет порта USB, один COM-порт, один принтерный порт LPT и порт Ethernet. Промышленные компьютеры и контроллеры обычно имеют несколько портов RS-485, RS-422 и оптоволоконный порт. Все перечисленные порты компьютеров и контроллеров можно использовать для обмена информацией с внешними устройствами. К компьютеру могут быть подключены не только специализированные модули ввода-вывода, но и многие измерительные приборы широкого применения. Например, вольтметр НР 34401А имеет интерфейс RS-232 и может быть подключен к компьютеру и программам, поддерживающим СОМ-технологию (например, MS Excel).

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 контроллеров и модулей ввода-вывода. При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритмов 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. Распределенную систему управления 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 качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устрой­ства, например ПЛК или разнесенные в пространстве модули ввода- вывода 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.

Стандарт МЭК 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 «Функциональные блоки для индустриальных систем управления» [20]. Он использует три уровня иерархии моделей при разработке распределенных систем: модель системы, модель физических устройств и модель функциональных блоков. Модели всех уровней в соответствии со стандартом представляются в виде функциональных блоков, которые описывают процесс передачи и обработки информации в системе. Особенностью функциональных блоков стандарта МЭК 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).

Модель распределенной системы Модель распределенной системы автоматизации в соответствии со стандартом МЭК может быть представлена как набор физических устройств (например, ПЛК), взаимодействующих между собой с помощью одной или нескольких промышленных сетей (рис. 1.3). Сети могут иметь иерархическую структуру.

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.

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, стартован, удален и т.п. без воздействия на другие ресурсы устройства. 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.

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). 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 Для того чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Микропроцессор, входящий в состав каждого модуля или контроллера, сверяет адрес на шине с его собственным адресом, записанным в ПЗУ, и, если адреса совпадают, исполняет следующую за адресом команду. Команда позволяет считать данные, поступающие на вход устройства, или установить необходимые данные на его выходе. Дополнительные проблемы: необходимость адресации устройств, необходимость ожидания в очереди.

Многоуровневая архитектура Такая архитектура автоматизированной системы удобна при коллективной работе с системой автоматизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим. Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода- вывода или контроллерам осуществляется с помощью ОРС-сервера). Основой программного обеспечения, установленного на компьютерах сети, являются SCADA-пакеты программные средства диспетчерского управления и сбора данных. В контроллерах исполняются загрузочные модули программ, генерируемые средствами визуального программирования ПЛК на язы­ках стандарта МЭК Системы управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу.

Уровни иерархии современных АСУ Анализ сложных систем управления позволяет выделить в них несколько однородных уровней иерархии

Низшие уровни иерархии Нулевой уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства (актуаторы): датчики температуры, давления, концевые выключатели, дискретные датчики наличия напряжения, измерительные трансформаторы, релепускатели, контакторы, электромагнитные клапаны, электроприводы и др. Датчики и актуаторы могут иметь интерфейсы типа AS-интерфейс (ASI), 1-Wire или CAN, HART и др. Морально устаревшими интерфейсами нулевого уровня являются аналоговые интерфейсы мА, мА (токовая петля), В и др. В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес и выполняют автоматическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика. Интеллектуальные датчики в пределах сети должны обладать свойством взаимозаменяемости, в частности иметь один и тот же протокол обмена и физический интерфейс связи, а также нормированные метрологические характеристики и возможность смены адреса перед заменой датчика. Первый уровень состоит из программируемых логических контроллеров и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода- вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уровень иерархии.

Высшие уровни иерархии Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций компьютеров с человеко- машинным интерфейсом (ЧМИ, HMI – Human Machine Interface), наиболее распространенными вариантами которого являются SCADA-пакеты. Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за ходом технологического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Диспетчерский компьютер выполняет также архивирование собранных данных, записывает действия оператора, анализирует сигналы системы технической диагностики, данные аварийной и технологической сигнализации, сигналы срабатывания устройств противоаварийных защит, а также выполняет часть алгоритмов управления технологическим процессом. Благодаря объединению диспетчерских компьютеров в сеть наблюдение за процессами может быть выполнено с любого компьютера сети, но управление, во избежание конфликтов, допускается только с одного компьютера или функции управления разделяются между несколькими компьютерами. Права операторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Важной частью второго уровня являются также базы данных реального времени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления. Третий уровень (уровень управления цехом) появляется как средство интеграции системы АСУ ТП с АСУП автоматизированной системой управления предприятием. АСУП в зависимости от размеров корпорации может включать еще более высокий (четвертый) уровень и обеспечивать интеграцию с высшим руководством, которое может быть расположено в различных странах и на разных континентах земного шара. На уровне АСУП решаются следующие задачи: ERP планирование ресурсов предприятия; MRP планирование ресурсов технологических подразделений предприятия; MES управление производственными ресурсами; HRM управление человеческими ресур­сами; EAM управление основными фондами, техническим обслуживанием и ремонтами.

Применение Интернет-технологий Когда часть компонентов системы автоматизации выходит за границы ло­кальной сети и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение Интернета. Вторым существенным преимуществом применения Интернет-технологий в АСУ ТП является возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера. 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. Недостатки: Интернет имеет низкую надежность и плохую защищенность от несанкционированного доступа. Наиболее безопасным применением Интернета являются системы мониторинга, например публикация на веб-страничке информации о параметрах технологического процесса, действиях оператора, а также сводных отчетов и графиков. Такая Интернет-система может быть полностью автономной, поскольку перечисленные данные могут быть взяты непосредственно из базы данных АСУ ТП без воздействия на сам технологический процесс.

Микро-веб-серверы Веб-серверы для Интернета обычно располагаются на мощных компьютерах и содержат жесткие диски большой емкости. Однако для удаленного управления в АСУ ТП часто достаточно иметь на сервере всего одну несложную веб-страницу. Для этой цели используют микро-веб-серверы (встраиваемые веб- серверы, Embedded Web Server), выполненные в виде микросхемы, которая располагается на печатной плате ПЛК или интеллектуального датчика, в холодильнике, кондиционере, в офисном оборудовании и др. Каждый микро-веб сервер доступен по своему Интернет-адресу. В предыдущие годы проблемой технической реализации микро веб-серверов была необходимость большой вычислительной мощности для реализации протокола ТСР/IР. В настоящее время появились дешевые однокристальные микроконтроллеры фирм Crystal Semiconductor, Winbond, Realtek со встроенной реализацией протокола ТСР/IР. Это позволило применять веб- серверы даже внутри датчика. Технологию применения микро- веб-серверов называют «встроенным Интернетом» (Embedded Internet).

Архитектура автоматизированной системы, использующей Интернет