Компьютеры в системах управления

Завершить блок 5 уместно широким взглядом на участие компьютеров в системах управления.

Словарное определение термина «компьютер» — программируемое электронное устройство, способное хранить, извлекать и обрабатывать данные. Это определение включает базовые одно- и многоконтурные контроллеры, обычно встречающиеся в технологических отраслях, где состояние считывается датчиком, сравнивается с заданным значением в контроллере через ряд математических процедур для определения требуемого корректирующего действия, после чего формируется соответствующий выходной сигнал. Темпы развития компьютерных микросхем и их влияние на все аспекты жизни хорошо известны. Скорость развития технологий управления такова, что некоторые из нижеприведённых замечаний к моменту чтения наверняка устареют. История Автономные одноконтурные контроллеры берут начало от пневматических контроллеров, которые благодаря изобретательному использованию заслонок и сопел могли приближённо реализовывать базовые PID-функции. Эти сложные и дорогие контроллеры часто встречались на крупных нефтехимических заводах, где были критичны как точность управления процессом, так и искробезопасное исполнение (отсутствие искр, способных вызвать пожар).

Часто такие процессы по отдельности подключались к локальным круговым самописцам (рисунок 5.6.1); в альтернативном варианте несколько процессов подключались к многоперьевым регистраторам в операторных (рисунок 5.6.2). Хотя многоперьевые регистраторы позволяли просматривать сразу несколько параметров, механизмы прибора и число линий на одном графике фактически ограничивали их применение примерно двенадцатью входами.

Первые компьютеры, применённые в системах управления, заменили главные самописцы в центральной операторной. Они собирали информацию (или данные) с гораздо большего числа точек по всему предприятию. Обычно их называли регистраторами данных (‘data loggers’, рисунок 5.6.3), и они не вмешивались непосредственно в работу установки.

Эти ранние компьютеры обычно программировались на печать отчётов через определённые интервалы времени на непрерывной компьютерной бумаге. Вручную извлекая данные из распечаток, руководитель производства мог оценивать работу установки в целом, сравнивать производительность разных её частей, искать ухудшение показателей, которое указывало бы на необходимость остановки, и т. д.

В середине 1970-х годов ряд известных приборостроительных компаний начали выводить на рынок цифровые системы управления. В этих системах использовался центральный компьютерный блок, принимавший сигналы от датчиков, выполнявший математические расчёты и подававший выходные сигналы на соответствующие исполнительные устройства. Они также вели журнал событий для последующего анализа (см. рисунок 5.6.4).

Важные замечания:

• Персональный компьютер (PC) не может принимать «сырые» приборные сигналы (4 - 20 mA, 0 - 10 V) непосредственно от устройства управления. Для «перевода» между ними требовалось устройство Input / Output (I / O). Каждый производитель I / O-устройств реализовывал это по-своему, поэтому системы оказались не столь совместимыми, как предполагалось.
• Изначально I / O-устройства располагались в главной операторной установки, и каждый отдельный элемент оборудования подключался к операторной собственным отдельным сигнальным кабелем. На больших установках это делало прокладку и управление кабельным хозяйством важным вопросом как с точки зрения объёма, так и стоимости.
• По мере развития технологий I/O-устройства начали выносить ближе к установке, и объём кабелей до операторной сократился, хотя всё ещё оставался значительным. Эти цифровые системы управления привели к развитию:
• Distributed Control Systems (DCS),
• Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) systems, и
• Building Management Systems (BMS) ... все они сегодня широко используются (см. рисунок 5.6.5).

Гигантский шаг вперёд произошёл в конце 1980-х годов с появлением PC, экранной среды Windows и соответствующей операционной системы. Это создало стандартную платформу для ранних цифровых систем управления, поскольку всем приборостроительным компаниям пришлось работать в общем формате. Преимущество систем на базе ‘Windows’ состояло в том, что обмен информацией стал таким же удобным, как обмен данными между Word, ‘Excel’ и ‘PowerPoint’ у современных пользователей персональных компьютеров. Этот «язык» обмена назывался Dynamic Data Exchange (DDE), а затем развился в Object Linking and Embedding (OLE). Позднее он был адаптирован для управления процессами и превратился в OLE for Process Control (OPC), который использовался и на момент написания оригинального текста.

Использование PC также значительно упростило просмотр истории. Вместо того чтобы ограничиваться распечатками и ручным переносом данных, руководитель установки мог использовать мощные графические программы, анализировать тренды, добавлять цвета, менять шкалы и использовать символы; различные переменные можно было накладывать друг на друга, а производительность разных установок — сравнивать.

Современные системы автоматизации используют компьютер как «окно» в процесс. Оператор применяет компьютер для мониторинга того, что происходит на установке в целом, а также для изменения заданных значений и параметров управления, таких как PID, в индивидуальных локальных контроллерах, оставляя самим контроллерам выполнение PID-алгоритмов и управляющей логики.

Следовательно, автономные контроллеры по-прежнему занимают место в современных системах автоматизации как устройства конечного регулирования, но сам контроллер теперь обычно имеет вид PLC (Programmable Logic Controller) или многоконтурного модульного устройства. По внешнему виду они сильно отличаются от классических одноконтурных PID-контроллеров. Вместо того чтобы оператор менял заданное значение и другие параметры прямо на контроллере с клавиатуры, они изменяются оператором на компьютере, который в электронном виде загружает нужный параметр в контроллер. В случае отказа центрального компьютера автономный контроллер продолжит работать с текущими параметрами или перейдёт в безопасное состояние, обеспечивая безопасную работу установки.

Следующим крупным шагом вперёд стала система, известная как ‘Fieldbus’.

Fieldbus использует единую цифровую кабельную систему, которая соединяет каждый элемент (см. рисунок 5.6.6).

Каждому элементу (датчику, контроллеру и регулируемому устройству) присваивается уникальный адрес, который используется либо для запроса информации (например, от датчика), либо для выполнения действия (например, для закрытия регулирующего клапана).

Однако такие системы сложны и могут быть дорогими. Сети Fieldbus нужен главный контроллер для организации обмена данными и логики управления в сети Fieldbus. Также нужен способ связать Fieldbus с компьютерными сетями, чтобы можно было обмениваться информацией (см. рисунок 5.6.8). Устройство, которое совмещает роль контроллера Fieldbus и обеспечивает мост к сети PC, называется ‘bridge’ или главным контроллером (см. рисунок 5.6.7).

На стороне процесса bridge может:

• запрашивать и получать данные от нескольких датчиков;
• использовать эту информацию в сложных математических алгоритмах для определения и передачи требуемого корректирующего воздействия исполнительным устройствам, таким как клапаны;
• запрашивать у оборудования запуск диагностической процедуры и получать отчёт. На стороне компьютерной сети он может предоставлять:
• исторические данные по оборудованию, например дату и результат недавних диагностических процедур;
• сигналы тревоги, когда процесс или оборудование выходят за заданные пределы;
• подробные исторические и текущие данные о работе установки;

Важные замечания:

• Bridges различаются по сложности, но могут управлять 50+ процессами; это эквивалент примерно 50 одноконтурным PID-контроллерам.
• Если требуется управлять большим числом процессов, можно использовать более одного bridge.
• Bridge(s) могут размещаться в удобных точках по территории установки.
• Bridge обычно не отображает информацию и не имеет кнопок управления. По сути это электронный шлюз; всё взаимодействие с ним осуществляется через PC. Хотя Fieldbus теоретически является общей технологией, между продуктами и протоколами разных производителей существуют различия. Среди часто встречающихся названий в области Fieldbus можно отметить:

Важные замечания: Протоколы и продукты Fieldbus не совместимы друг с другом напрямую. Существуют способы интеграции различных Fieldbus, но это может быть дорого. Поэтому пользователи обычно выбирают одну систему и придерживаются её.

• Системы Fieldbus могут интегрировать более старые приборы на сигнальной основе (4 - 20 mA, 0 - 10 V и т. д.). Однако такие сигналы необходимо подключать к Fieldbus через I / O-модули, и при этом многие (хотя не все) преимущества Fieldbus теряются.
• Это означает, что после внедрения определённой системы Fieldbus на предприятии пользователь редко даже рассматривает альтернативный протокол. По мере развития технологий управления развивается и PC. Компьютеры могут обмениваться данными друг с другом по сетям (LAN – Local Area Network): отделы финансов, складов, производства, маркетинга и продаж в рамках одной организации могут легко обмениваться данными и иметь разные уровни полномочий для выполнения различных задач. Неизбежно компьютер системы управления процессом был подключён к сети, что позволило уполномоченному персоналу просматривать и изменять работу установки с офисного PC.

По мере глобализации производства развивались и Wide Area Networks (WAN). В результате инженер, находящийся, например, в Лондоне, может опрашивать компьютер установки своей компании в Нью-Йорке.

Влияние этих технологий управления и связи огромно. Сегодня уже существуют знания, опыт и оборудование, позволяющие реализовать ситуации, когда:

• складской компьютер заказчика, реагируя на команду ‘minimum stock’ или производственный план, размещает заказ через Internet;

• заказ принимает компьютер поставщика, который:

• проверяет складские остатки и отправляет продукцию, либо

• корректирует производственный график, включая заказ, возможно даже изменяя технологические инструкции под выпуск конкретного продукта.

• Компьютер организует отгрузку продукции и выставляет счёт заказчику.

• Вмешательство человека не требуется. Преимущества технологии Fieldbus Монтаж:

• Сокращение аппаратной части системы — для управления процессом требуется меньше контроллеров и меньше проводки.
• Снижение стоимости монтажа — не только оборудования устанавливается меньше, но и сам монтаж проще и быстрее, а значит значительно сокращаются затраты на материалы и труд для кабелей, кабельных лотков, коробов, шкафов кроссировки, распределительных коробок и клемм.
• Требуется меньше пространства — поскольку в операторной становится меньше оборудования и проводки, освобождается место для других нужд. Соответственно, и на самой установке появляется больше места для производственного оборудования.
• Инженерные чертежи — компьютер автоматически формирует схемы логики процесса, поэтому они всегда точны и актуальны. Эксплуатация:
• Безопасность — действия при аварийных состояниях заложены в программное обеспечение с чётко определёнными сценариями. В случае отказа главного компьютера управление передаётся локальным bridges, которые имеют независимые источники питания и запрограммированы на переход в ‘safe mode’, соответствующий процессу.
• Больше информации о процессе — объём информации, доступной операторам и руководству, многократно выше, чем в Distributed Control System (DCS), см. рисунок 5.6.9. Отдельные устройства (например датчики и клапаны) легко опрашиваются, просматриваются и анализируются. Можно просматривать и анализировать весь процесс или его отдельные части, чтобы выявлять ограничения, потенциал для улучшения и т. д.

• Проактивное техническое обслуживание — главный компьютер может выполнять детальные диагностические процедуры, проверяя отказ датчиков, отказ выходов, отказ памяти, ошибки конфигурации, ошибки связи, положение клапана, использованный ход и время хода клапана, stick-slip эффекты и т. д. Следовательно, техническое обслуживание и калибровка основываются на фактическом состоянии устройства, а не на календарном периоде, поэтому выполняется только действительно необходимое обслуживание. Несколько устройств могут одновременно выполнять процедуры обслуживания и калибровки. Это означает меньшее число остановов или меньшую их продолжительность, а значит, более высокую доступность установки. Исключаются время, материалы и труд, расходуемые на ненужное обслуживание, а это минимизирует его стоимость.
• Надёжность системы — проактивное техническое обслуживание означает, что оборудование хорошо обслуживается.
• Контроль качества — централизованное управление и возможность просматривать процесс частично или целиком повышают качество контроля.
• Складские запасы — лучшая реакция и гибкость установки часто позволяют сократить объём готовой продукции на складе.
• Запасные части — благодаря совместимости и взаимозаменяемости компонентов пользователь не привязан к одному поставщику комплектующих, поэтому цены остаются конкурентными. Это также позволяет минимизировать склад запасных частей, что снова снижает затраты.
• Коммуникации — к системе управления или любому её компоненту можно получить доступ практически из любой точки либо через компьютерные сети, либо через Internet. Развитие системы Fieldbus Гибкость:
• систему легко обновить под изменившиеся требования процесса;
• систему легко расширить под рост установки или новые процессы;
• совместимость с другими системами позволяет закупать оборудование по конкурентным ценам.