Комплекс технічних засобів АСУТП План 1. Інтелектуальні технічні засоби автоматизації. 2. Контролери. Характеристика каналів вводу/виводу. 3. Мережева архітектура системи управління. 4. Надійність систем АСУТП. Інтелектуальні технічні засоби автоматизації Термін " інтелектуальні " для первинних пристроїв був введений для тих первинних пристроїв, всередині яких міститься мікропроцесор. Зазвичай це додає нові функціональні можливості, яких не було в аналогічних пристроях без мікропроцесора. Наприклад, інтелектуальний датчик може давати більш точні свідчення завдяки застосуванню числових обчислень для компенсації нелінійності чутливого елемента або температурної залежності. Інтелектуальні технічні засоби автоматизації Інтелектуальний датчик має можливість працювати з великою різновидом різних типів чутливих елементів, а також складати одне або кілька вимірів в однин новий вимір (наприклад, об'ємні витрати і температуру у вагові витрати) . І нарешті, інтелектуальний датчик дозволяє робити настроювання на інший діапазон вимірювань або напівавтоматичне калібрування, а також здійснювати функції внутрішньої самодіагностики, що спрощує технічне обслуговування. Пристрій для дистанційного 16 18 17 15 14 контролю рівня рідини 13 12 1 4 11 6 9 10 5 3 H Даний пристрій для безперервного контролю рівня рідини, заснований на вимірюванні гідростатичного стовпа рідини з автоматичною компенсацією на зміну щільності рідини. Прилад володіє також автоматичним коригуванням рівня від хвилювання рідини в ємності, яке виникає при перекачуванні нафтопродуктів з ємності або в ємність. 2 8 7 Фиг 1 1, 2 – кронштейни, 3 – ємність, 4, 5 – сильфони, 6 – поплавок, 7 – порожнистий циліндричний шток, 8 – днище сильфона, 9 – перетворювач малих переміщень, 10 – оптична решітка, 11 – оптоелектронна пара, 12 – втулка, 13 - циліндричний порожнистий шток, 14 - перетворювач імпульсів в цифровий код, 15 – мікроконтролер, 16 - блок пам'яті програм, 17 - блок пам'яті даних, 18 – табло алфавітно-цифрової індикації. Контролери Параметри контролера з точки зору підтримуваних ним каналів вводу/виводу часто можуть бути визначальними при виборі. Важливо не тільки кількість каналів вводу/виводу, підтримуване контролером, але і різноманітність модулів вводу/виводу за кількістю та рівнями комутованих сигналів (струм/напруга ), способи підключення зовнішніх ланцюгів до модулів вводу/виводу, кількість каналів локального, віддаленого і розподіленого вводу/виводу. Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Мікроконтролери Контролери невеликої обчислювальної потужності, які здатні підтримувати максимум кілька десятків вводів/виводів, в основному, дискретних. Область застосування таких контролерів - збір даних та системи протиаварійного захисту. Як приклади можна привести контролери сімейства MicroLogix (AllenBradley), Direct Logic DL05 (Koyo), Nano (Schneider Electric). Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Сімейства малих контролерів вже здатні підтримувати сотні вводів/виводів, виконувати більш складні функції. Ці контролери мають досить розвинені аналогові вводи/виводи, виконують операції з плаваючою точкою і функції ПІД- регулювання. До цієї групи контролерів можна віднести SLC 500 (Allen-Bradley), Direct Logic DL205 (Koyo), Smart (PEP Modular Computer), Simatic S7 - 200 (Siemens) . Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Контролери середньої потужності, володіючи достатньою пам'яттю і швидкодією, можуть обробляти вже тисячі змінних дискретного, аналогового і швидкісного типу. Застосовуються для автоматизації невеликих об'єктів процесів видобутку, підготовки та транспорту нафти і газу. Це контролери Fanuc 90-30 (GE Fanuc), PLC- 5 (Allen - Bradley), Premium (Schneider Electric), Direct Logic DL405 (Koyo) та інші. Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Контролери високої обчислювальної потужності Обчислювальні можливості цього класу контролерів дозволяють реалізовувати складні алгоритми (адаптивне, оптимальне управління), що застосовуються при автоматизації безперервних технологічних процесів. Найбільш яскравими представниками цієї групи контролерів є ControlLogix (Allen - Bradley), Simatic S7 - 400 (Siemens), Fanuc 90-70 (GE Fanuc), VME (PEP Modular Computers). Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Зарубіжні і вітчизняні виробники контролерів комплектують свої вироби широкою гамою модулів дискретного і аналогового вводу/виводу. За кількістю підключаються сигналів розрізняють модулі на 4, 8, 16, 32 і 64 канали. Така різноманітність модулів полегшує підбір необхідної конфігурації контролера, дозволяючи мінімізувати вартість технічних засобів. Характеристика каналів вводу/виводу контролерів Комутовані модулі дискретного вводу/виводу сигналів можуть мати різний рівень напруги змінного і постійного струму. Це і 12, 24, 48 В постійного струму, 120 і 240 В змінного струму з різними навантаженнями по струму. Рівні комутованих сигналів модулів аналогового вводу/виводу можуть бути найрізноманітнішими. Це 0-5В, 0 -10В, 5В, 10В по напрузі і 0 - 20мА, 4 - 20мА по струму. Є й спеціальні модулі для вводу в контролери сигналів від термопар і термометрів опору різних градуювань. Наведені тут дані за рівнями сигналів, безумовно, не вичерпують усього розмаїття, представленого на ринку. Номенклатура модулів вводу/виводу контролерів сімейства DL- 405 Koyo Код по каталогу Опис модулів Дискретний ввод D408ND3S 8DI ізольованих рівня 24-48 VDC D4-16ND2 16DI (2 групи по 8) рівня 12-24 VDC D4-32ND3 32DI (4 групи по 8) рівня 24 VDC D4-64ND2 64DI (8 груп по 8) рівня 24 VDC D4-08NA 8DI рівня 110-220 VAC D4-16NA 16DI (2 групи по 8) рівня 110 VAC D408NE3S 8DI ізольованих рівня 90/150 VAC D4-16NE3 16DI (2 групи по 8) рівня 12/24 VDC Номенклатура модулів вводу/виводу контролерів сімейства DL- 405 Koyo Код по каталогу Опис модулів Дискретний вивід D4-08TD1 8DO рівня 12-24 VDC D4-08TD1S 8DO рівня 24-150 VDC D4-16TD1 16DO (2 групи по 8) рівня 5-24 VDC D4-16TD2 16DO (2 групи по 8) рівня 12-24 VDC D4-32TD1 32DO (4 групи по 8) рівня 5-24 VDC D4-32TD2 32DO (4 групи по 8) рівня 12-24 VDC D4-64TD1 64DO (8 груп по 8) рівня 5-24 VDC D4-08TA 8DO рівня 18-220 VAC D4-16TA 16DO (2 групи по 8) рівня 18-220 VAC D4-08TRS-1 8 релейних виходи 10A D4-08TRS-2 8 релейних виходи 5A D4-08TRS 8 релейних виходи 2A D4-16TR 16 релейних виходи 1A Номенклатура модулів вводу/виводу контролерів сімейства DL- 405 Koyo Код по каталогу Опис модулів Аналоговий ввод F4-04AD 4AI рівня 0-5В, 1-5В, 0-10В, 5В, 10В, 0-20мА, 4-20мА F4-04ADS 4AI ізольованих, рівня 0-5В, 1-5В, 0-10В, 5В, 10В, 0-20мА, 4-20мА F4-08AD 8AI рівня 0-5В, 1-5В, 0-10В, 5В, 10В, 0-20мА, 4-20мА F4-08THM 8AI для сигналів термопар F4-08RTD 8AI для сигналів термометрів опору Аналоговий вивід F4-02DA 2AO рівня 0-5В, 0-10В, 4-20мА F4-04DA 4AO рівня 0-5В, 0-10В, 5В, 10В, 4-20мА F4-08DA-1 8AO рівня 4-20мА F4-16DA-1 16AO рівня 4-20мА F4-04DAS 4AO рівня 4-20мА Організація каналів вводу/виводу контролерів Однією з найважливіших характеристик контролерів є їх здатність підтримувати локальний, розширений, віддалений і розподілений ввід/вивід. Під локальним слід розуміти такий ввід/вивід, коли модулі вводу/виводу розміщуються безпосередньо на тому ж шасі, на якому розміщений і модуль центрального процесора. Так як кількість слотів в шасі обмежена (максимум 16 - 18 для деяких контролерів), то і кількість локальних вводів/виводів може бути також обмежена. Перевага локальних вводів/виводів полягає в тому що вони мають високу швидкість оновлення даних. При всіх інших рівних умовах, швидкість обробки цих вводів/виводів дуже висока. Ця характеристика особливо важлива, коли мова йде про регулювання технологічних параметрів. Організація каналів вводу/виводу контролерів Віддалений ввод/вивід застосовується для систем, в яких є велика кількість датчиків і інших польових пристроїв, що знаходяться на досить великій відстані (1000 і більше метрів) від центрального процесора. Це відноситься і до об'єктів, що часто знаходяться на великих відстанях від пунктів управління. Такий підхід дозволяє зменшити вартість ліній зв'язку за рахунок того, що модулі вводу/виводу розміщуються поблизу польових пристроїв. Організація каналів вводу/виводу контролерів Розподілений ввод/вивід є різновидом віддаленого, з тією лише різницею, що кількість параметрів, яку потрібно "дістати", мала (від декількох параметрів до десятків). Тому рішення із застосуванням каркасів віддаленого вводу/виводу, розрахованих на досить велику кількість параметрів, може виявитися дорогим. У зв'язку з цим деякі фірми пропонують спеціалізовані рішення (система Field Control фірми GE Fanuc, система вводу/виводу FLEX I/O фірми Allen - Bradley). Одне з рішень розподіленого вводу/виводу застосування інтелектуальних пристроїв, об'єднаних польовий шиною. Комунікаційні можливості контролерів Пристрої верхнього рівня (комп'ютери, концентратори ) на своєму рівні обмінюються великими обсягами інформації. Ця інформація захищена механізмами підтверджень і повторів на рівні протоколів взаємодії. Пересилаємий масив даних може бути доступний не тільки центральному пристрою, а й іншим вузлам мережі цього рівня. Це означає, що мережа є рівноправною, тобто визначається моделлю взаємодії peer - to - peer ( рівний з рівним ). Час доставки інформації не є домінуючою вимогою до цієї мережі (йдеться про жорсткий реальний час). Мережі, що забезпечують інформаційний обмін на цьому рівні, називають інформаційними мережами. Комунікаційні можливості контролерів Мережі, що забезпечують інформаційні обмін між контролерами, датчиками і виконавчими пристроями, часто об'єднуються під загальною назвою "промислові мережі" (Fieldbus дослівно перекладається як "польова мережа"). Їх можна розділити на два рівні: - керуючі промислові мережі, які вирішують завдання збору і обробки даних на рівні промислових контролерів, управління технологічним процесом; - польові мережі або шини, завдання яких зводяться до опитування датчиків та управління роботою різноманітних виконавчих пристроїв. Мережева архітектура системи управління На сьогоднішній день спектр протоколів для обох цих класів промислових мереж (керуючі і польові) досить широкий. CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH +, Modbus, Modbus plus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF і ще кілька десятків протоколів присутні сьогодні на ринку промислових мереж. Кожна з мереж має свої особливості і області застосування. Польові шини Польові шини (шини рівня датчиків і виконавчих пристроїв ) повинні задовольняти двом вимогам: - по-перше, необхідно передавати дані відповідно до жорсткого тимчасового регламенту; - по-друге, обсяг даних повинен бути мінімальним, щоб забезпечити працездатність мережі в критичні щодо навантажень моменти. Мережа рівня датчиків забезпечує безпосередній інтерфейс між реальним технологічним процесом і промисловими контролерами. Польові шини Передану в такій мережі інформацію можна розділити на два основних типи: дані про процес і параметричні дані. Обидва типи даних принципово різні і пред'являють до комунікаційної системи різні вимоги. Польові шини Дані про процес ( зміна стану кранів, перемикачів, керуючих сигналів і т. п.) не є складними і мають явно виражений циклічний характер. Більше того, для реалізації завдань автоматичного управління необхідно, щоб опитування каналів і видача команд на управління проводилися через регламентовані інтервали часу. Це так звана вимога детермінованості комунікаційної системи. Завдяки невеликому обсягу переданих даних системи промислового зв'язку здатні дійсно задовольняти тимчасовим вимогам з боку реальних процесів . Польові шини Параметричні дані необхідні як для відображення поточного стану мережевих пристроїв (інтелектуальних), так і їх перепрограмування. На противагу даними про процес параметрична інформація не має циклічного характеру. Доступ до неї реалізується за запитом, в ациклічному режимі. Передача параметричних даних вимагає і реалізує методи спеціального захисту, а також механізмів підтверджень. Протоколи польових шин SDS ( Smart Distributed System ) - система вводу/виводу з розподіленою логікою для побудови мереж, які об'єднують периферійні пристрої різних виробників. Ця мережа дозволяє працювати з такими пристроями вводу/виводу, як кінцеві вимикачі, фотоелектричні і безконтактні датчики, позиціонери, і здійснювати обмін інформацією на високих швидкостях. Переваги мережі : - одна і та ж мережа для контролерів і джерел інформації; - живлення здійснюється по проводах мережевого кабелю; - діагностика на рівні фізичних пристроїв; - час проходження даних по мережі може досягати 0,1 мс. Характеристика мережі Довжина шини Швидк ість Довжина розгалуження Число пристроїв 30.5 м 1 Мбіт/с 0.9 м 32 121.9 м 500 Кбіт/с 1.8 м 64 243.8 м 250 Кбіт/с 3.7 м 64 487.7 м 125 Кбіт/с 7.3 м 64 Мережа - ASI ( Actuator Sensor Interface ) ASI - інтерфейс дозволяє через свої комунікаційні лінії не тільки передавати дані, але і підводити живлення (24 VDC) до датчиків і виконавчих пристроїв. Тут використовується принцип послідовної передачі на базовій частоті. Інформаційний сигнал модулюється на живильну частоту. До одного контролера можна підключити до 31 пристрою. Протяжність сегмента ASI - шини може досягати 100м. Довжину мережі і кількість вузлів можна збільшувати. Топологією ASI - мережі може бути шина, зірка, кільце або дерево з циклом опитування 31 вузол за 5 мс. Інформаційна мережа Ethernet Ethernet - це локальна мережа для швидкого рівноправного обміну інформацією між комп'ютерами та іншими пристроями (контролерами нижнього рівня , великими контролерами концентраторами). Як фізичний засіб зв'язку використовуються товстий коаксіальний кабель 10Base5, тонкий коаксіальний кабель 10Base2, кручена пара 10Base -T, оптоволокно 10 (100) Base -F. Швидкість обміну по мережі - 10 Mбіт (100Мбіт). Протяжність мережі на кручений парі - до 100 м, на спеціалізованому оптоволокні - до 2800 м. Кількість вузлів мережі (робочих станцій, серверів і т. п.) визначається багатьма факторами і може досягати декількох десятків . Інформаційна мережа Ethernet Ця локальна мережа використовується в тому випадку, коли в системі мають місце великі потоки інформації, а також при необхідності створення багатьох користувальницьких вузлів (робочих, інжинірингових станцій, серверів і т. д.) в мережі. Більшість контролерів середньої та великої потужності мають можливість взаємодії з Ethernet через вбудовані порти процесорів або за допомогою інтерфейсних модулів.
