CC BY
37
Технические науки — от теории к практике ________________№ 11 (47), 2015 г
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Латышев Виктор Александрович
канд. тех. наук, доцент кафедры ЕНОТД филиала Тюменского государственного нефтегазового университета, РФ, Ямало-Ненецкий автономный округ, г. Новый Уренгой
E-mail: viklat@yandex. ru
Медведева Юлия Львовна
учитель математики, школа № 1, РФ, Ямало-Ненецкий автономный округ, г. Новый Уренгой
СибАК
www.sibac.info
STUDY OF THE PRINCIPLES OF THE ORGANIZATION AND METHOD OF ENGINEERING HARDWARE AND SOFTWARE CONTROL SYSTEMS OF THE TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
Viktor Latyshev
candidate of Science, associate professor of Department of Natural Science and General Technical Disciplines, Yamal Oil and Gas Institute, affiliate of Tyumen State Oil and Gas University, Russia, Yamalo-Nenets Autonomous Okrug, Novy Urengoy
Yuliya Medvedeva
math teacher, Scool №1, Russia, Yamalo-Nenets Autonomous Okrug, Novy Urengoy
АННОТАЦИЯ
Технологии промышленной автоматизации невозможны без применения программируемых логических контроллеров, которые обеспечивают управление оборудованием в реальном масштабе времени, выполнение арифметических и логических операций, обработку битов информации и задание таймеров - счетчиков.
38
ЛГ СибАК
Технические науки — от теории к практике
№11 (47), 2015г.__________________________________________www.sibac.info
ABSTRACT
Technologies of the industrial automation are impossible without application of the programmable logical controllers, which ensure machine control on a real time basis, execution of the arithmetic and logical operations, processing of data bit and tasks of counter timers.
Ключевые слова: автоматизация, проектирование, система
управления, программирование.
Keywords: automation, engineering, operating system, programming.
Следует отметить, что применение встраиваемых процессорных модулей и плат для автоматизации технологических операций связано с необходимостью привлечения профессиональных программистов для разработки программного обеспечения (ПО), которые должны не только в совершенстве владеть техникой программирования, но и хорошо разбираться в автоматизируемых технологических процессах. Если пользователь - программист плохо представляет себе работу объекта управления, это может привести к выходу из строя дорогостоящего оборудования или даже угрожать безопасности персонала. В особенности, это относится к разработке ПО для систем управления космических стартовых комплексов (СК) и оборудования предприятий газовой промышленности, где программное обеспечение функционирует как единое целое и определяет надежность работы как бортовой, так и наземной аппаратуры многочисленных систем управления. При этом объем ПО для космического СК может достигать многих сотен тысяч кодов (например, программное обеспечение МТКК Space Shuttle, включая бортовое программное обеспечение и наземное программное обеспечение автоматизированных систем управления подготовкой и пуском, содержит более 3 млн кодов). В конечном итоге стоимость программного обеспечения СК может в несколько раз превышать стоимость аппаратных средств [5, с. 115].
С этой точки зрения более привлекательными для автоматизации технологических операций и процессов представляются программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они представляют собой специализированные микропроцессорные устройства локального управления, адаптированные для работы в условиях промышленной среды. В основу архитектуры ПЛК заложена доступность для пользователя построения необходимой аппаратной конфигурации и программирования контроллера без привлечения профессионального программирования. Т. е. технолог, который обычно и является заказчиком автоматизации технологического процесса, в большинстве
39
Технические науки — от теории к практике __________________№ 11 (47), 2015 г
случаев может самостоятельно справиться с задачей разработки управляющей программы. Естественно, что такой технолог-программист должен обладать достаточными знаниями в области цифровой автоматики и алгоритмизации функционирования управляющих автоматов.
Будучи установленными на технологическом (полевом) уровне иерархической системы управления ПЛК могут обеспечить выполнение основного алгоритма управления всех систем СК и их взаимодействие. При этом многообразие технологических систем наземного оборудования СК не является препятствием для создания распределенных систем управления, так как сетевые каналы связи позволяет ПЛК обмениваться информацией между собой и передавать ее на верхние уровни управления, где происходит обработка полученной информации и принятие решений. Естественно, централизация обработки информации на верхних уровнях иерархической системы управления потребует участия профессиональных программистов при разработке ПО, которое, однако, не будет связано со спецификой технологических операций предстартовой подготовки [1, с. 70].
За почти полувековую историю ПЛК превратились из простейших логических модулей в мультипроцессорные устройства, позволяющие создавать мощные системы управления, работающие в режиме реального времени. Их схемотехника непрерывно совершенствуется, уменьшаются массогабаритные показатели и энергопотребление, увеличиваются быстродействие и надежность работы. Следуя запросам производства, ПЛК приобретают новые функциональные возможности. Например, они управляют такими специализированными исполнительными устройствами, как шаговые приводы, или служат основой интеллектуальных систем на основе fuzzy-логики.
Современные промышленные ПЛК обладают достоинствами, позволяющими применять эти устройства на самых ответственных объектах:
• Высокая отказоустойчивость, обеспечиваемая схемотехнической защитой микроэлектронных компонентов в условиях реальной промышленной среды, для которой характерны мощные электростатические разряды, скачки напряжений, которые могут быть вызваны переходными процессами, и электромагнитные помехи [3, с. 169].
• Возможность создания резервированных систем автоматизации с безударным переключением на резервный контроллер в случае отказа основного контроллера, а также систем безопасного
СибАК
www.sibac.info
40
Технические науки — от теории к практике № 11 (47), 2015 г_______________________
www.sibac.info
управления, исключающих катастрофические последствия при возникновении технологических аварийных ситуаций.
• Развитые сетевые функции, позволяющие реализовать децентрализованную стратегию управления, в которой нет необходимости в мощных ресурсах обработки информации и длинных линиях связи, а управляющие подсистемы могут размещаться вблизи датчиков и исполнительных устройств [2, с. 69].
• Защита от неавторизованного управления системой и несанкционированного доступа к системным данным.
• Большое число каналов ввода/вывода (достигающее нескольких сотен и тысяч) с гальванической изоляцией, позволяющей работать с Большими синфазными сигналами, вызванными разницей потенциалов «земли».
• Возможность работы в сложных климатических условиях: температурный диапазон от -40 до +125 оС и пыле -влагозащищенность до IP65 [6, с. 42].
ПЛК выпускаются различными производителями средств промышленной автоматизации, среди которых можно выделить ведущие компании: это - немецкий концерн Siemens, американская корпорация Rockwell Automation/Allen-Bradley и японская корпорация Omron. Среди российских производителей ПЛК следует отметить компанию Fastwel, выпускающую программируемые контроллеры для различных условий эксплуатации [7, с. 32].
Например, REM620 - это специальное интеллектуальное устройство защиты двигателя, предназначенное для защиты, управления, измерения и контроля средних и Больших асинхронных двигателей, также требующих наличия дифференциальной защиты, в производственных и перерабатывающих отраслях промышленности. REM620 - устройство защиты и управления семейства Relion®, входит в состав устройств серии 620. Устройства серии 620 характеризуются возможностью функционального расширения и модульным исполнением. Серия 620 предназначена для реализации всего потенциала стандарта МЭК 61850 в части обмена информацией и функционального взаимодействия устройств автоматизации подстанции. COM600 также выполняет функцию шлюза, обеспечивая эффективное взаимодействие между ИЭУ подстанции и системами управления и администрирования на уровне сети, такими как Micro SCADA Pro и System 800xA, см. рис. 1.
41
Технические науки — от теории к практике _____________________№ 11 (47), 2015 г
Таблица 1.
www.sjbac.info
Решения от компании АББ
Продукт Версия
Устройство автоматизации подстанции СОМбОО 4.0 SP1 или более поздняя
MicroSCADA Pro SYS 600 9.3 FP2 или более поздняя
System 800xA 5.1 или более поздняя
REM620 содержит функции управления выключателями, разъединителями и заземляющими ножами через переднюю панель ИЧМ или с помощью дистанционного управления. ИЭУ включает в себя два блока управления выключателем. Помимо функционального блока управления выключателем, ИЭУ имеет еще четыре функциональных блока, предназначенных для управления приводом разъединителей или тележкой выключателя. Более того, ИЭУ имеет два блока управления, предназначенных для управления приводом заземляющего ножа. И вдобавок ко всему, устройство включает в себя четыре блока индикации положения разъединителя и два блока индикации положения заземляющего ножа, которые используются для разъединителей и заземляющих ножей, управляемых в ручном режиме.
Регистрируются минимальное, максимальное и среднее значение мощности (Р, Q, S) с отметкой времени. По умолчанию записи сохраняются в энергонезависимой памяти.
Функция контроля цепи отключения непрерывно контролирует готовность и работоспособность цепи отключения. Контроль размыкания цепи выполняется как во включенном, так и в отключенном положении выключателя. Кроме того, выявляется потеря оперативного напряжения управления выключателем.
Функция контроля цепей переменного напряжения выявляет повреждения между цепями измерения напряжения и устройством. Для обнаружения повреждений используется алгоритм на базе контроля тока и напряжения обратной последовательности или алгоритм на базе контроля скорости изменения напряжения и тока. При обнаружении повреждения функция контроля цепей переменного напряжения активирует аварийный сигнал и блокирует функции защиты по напряжению от непредусмотренного срабатывания [3, с. 17].
42
U>
СОМ600
Веб-ИЧМ
iui И !ir:^ tkJ
Электростанция IEC 60870-5-104 Промышленность OPC
COM600
Веб-ИЧМ
COM600
Г
Комм/татор Ethernet ы
РСМ600
Рисунок 1. Пример промышленной энергосистемы с использованием интеллектуальных электронных устройств, контроллера автоматизации энергосистем СОМ600 и System 800хА
5 ^
Го ^
е
£
*
от теории к практике
Технические науки — от теории к практике ___________________№ 11 (47), 2015 г
Функция контроля токовых цепей используется для выявления повреждений во вторичных цепях трансформатора тока. При обнаружении повреждения функция контроля токовых цепей также может активировать светодиод аварийной сигнализации и заблокировать определенные функции защиты во избежание непредусмотренного срабатывания. Функция контроля токовых цепей вычисляет сумму фазных токов полученных от фазных ТТ и сравнивает с измеренным током нулевой последовательности от ТТ нулевой последовательности или отдельных кернов в фазных ТТ.
ПЛК охватывают широкий диапазон применений и могут выполняться в различном конструктивном исполнении. Наиболее распространены модульные ПЛК, построенные по магистральному принципу. Они включают в себя модуль центрального процессора и дополнительные модули, обеспечивающие требуемую функциональность контроллера. На рис. 2 в качестве примера показаны две модели промышленных ПЛК, производимых компаниями Siemens и Fastwell.
СибАК
www.sibac.info
в
Рисунок 2. Промышленные программируемые логические контроллеры: а - контроллер Siemens S7-1200; б - контроллер Fastwell CPM 902
К настоящему времени уже имеется опыт применения российских контроллеров Fastwell для автоматизации технологических операций предстартовой подготовки PH. В частности, с применением этих контроллеров в ЗАО «СКБ Орион» был создан информационно -управляющий комплекс (ИУК) для управления наземным технологическим оборудованием космического СК PH «Союз» в Гвианском космическом центре (ГКЦ) [1, с. 50]. Комплекс, имеющий многоуровневую иерархическую структуру, позволил объединить в единое информационное пространство разнородные системы
44
Технические науки — от теории к практике № 11 (47), 2015 г_______________________
www.sibac.info
заправки жидкими компонентами и криогенными компонентами; системы хранения компонентов топлива и термостатирования, системы обеспечения сжатыми газами, системы пожаротушения и др. Кроме того, в состав управляющего комплекса была интегрирована система электроснабжения, что обеспечило необходимое распределение электроэнергии с суммарной мощностью 1 МВт, управление мощными нагрузками и формирование резервированных линий питания.
На уровне реализации технологических алгоритмов, каждый из контроллеров получает данные от рабочих мест оператора (АРМ) и устройства связи с объектом (УСО), обрабатывает их по заданным алгоритмам и выдаёт соответствующие данные для отображения на АРМ и для управления на УСО. Централизованная обработка данных осуществляется на верхних уровнях управления вычислительными устройствами на базе встраиваемых процессорных плат с форм-фактором CompactPCI [5, с. 14].
Для создания программного обеспечения АСУ ТО использовался разработанный в ЗАО «СКБ Орион» инструментальный комплекс, который не требовал навыков профессиональных программистов и языков программирования низкого уровня. Программирование и корректировка ПО системы управления в процессе наладки осуществлялись технологами-программистами, хорошо понимающими автоматизируемый технологический процесс и владеющими знаниями основ алгоритмизации.
Принцип программного управления позволяет изменять алгоритм работы системы управления путем изменения управляющей программы, которая выполняется в ПЛК. Поскольку ПЛК представляет собой микро-ЭВМ, его программное обеспечение имеет много общего с программным обеспечением обычных компьютеров. Системное ПО таких ПК, разрабатываемое профессиональными программистами, состоит из комплекса программ для разработки прикладных программ (среды программирования) и среды исполнения (операционной системы), которая записывается в память контроллера при его выпуске.
Программное обеспечение разработки прикладных программ поставляется фирмой-производителем и обычно выполняется в виде программного комплекса с общим графическим пользовательским интерфейсом, открывающим доступ к функциональным модулям, например, встроенным редакторам языков программирования, коммуникациям, средствам отладки и др.
45
Технические науки — от теории к практике __________________№ 11 (47), 2015 г
Поскольку главным требованием к ПЛК является их доступность для эксплуатации техническим персоналом, языки программирования компьютеров и встраиваемых процессорных плат плохо подходят для программирования ПЛК. Поэтому при разработке прикладных программ для ПЛК используются специализированные, проблемноориентированные, языки программирования, которые понятны пользователю, знакомому с основами аналоговой и цифровой автоматики, а также имеющему опыт работы в области информатики. Эти языки позволяют программировать арифметические вычисления и логические операции, задавать значения таймеров и счетчиков, имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах, в отличие от большинства высокоуровневых языков программирования современных компьютеров.
Языки программирования ПЛК стандартизованы, они перечислены в стандарте IEC 61131. Это:
• язык лестничных диаграмм (Ladder Diagram — LD);
• язык функциональных Блоковых диаграмм (Function Block Diagram — FBD);
• список инструкций (Instruction List — IL);
• структурированный текст (Structured Text — ST) [6, c. 54].
Первые два языка программирования (LD и FBD) являются
графическими языками и могут использоваться даже пользователями со знаниями начального уровня. Программы, написанные на этих языках, напоминают релейно-контактные и структурные логические схемы, соответственно. При модернизации оборудования это позволяет специалистам упростить переход от «жесткой» аппаратной логики к программируемой логике.
Третий и четвертый языки (IL и ST) являются низкоуровневым и высокоуровневым языками, соответственно. Они предназначены для опытных пользователей.
Атрибутом АСУ ТП являются средства связи оператора с процессом: человеко-машинный интерфейс (HMI - human-machine interface). К ним относятся кнопочные панели, текстовые дисплеи, панели оператора и сенсорные панели. Включение устройств HMI в проект осуществляется c помощью дополнительного прикладного ПО.
В условиях постоянного увеличения требований пользователя, требований рынка, а также требований, предъявляемых к производительности труда при необходимости сокращения общих затрат, производители ПЛК стремятся к созданию единой платформы для решения задач автоматизации во всех отраслях промышленного производства. Примером такого подхода явилась разработанная
СибАК
www.sibac.info
46
Технические науки — от теории к практике № 11 (47), 2015 г_______________________
www.sibac.info
концерном Siemens концепция комплексной автоматизации TIA (Totally Integrated Automation) - основа открытого обмена данными и совместимости между множеством устройств, которая позволяет объединить их в единую систему автоматизации. Результатом является максимальная производительность на всех уровнях комплексной системы управления промышленным объектом, от полевых устройств до контроллеров и систем управления всем объектом. Программный продукт, предназначенный для комплексной проработки проекта автоматизации, включая интеграцию в проект средств HMI, получил название TIA Portal. Его применение позволяет решить все задачи автоматизации в одном программном проекте при существенном сокращении времени разработки, стоимости и объема работ.
Измерительные системы на базе контроллеров ЭМИКОН, а также модули связи с объектом, входящие в состав ПЛК, зарегистрированы в Г осударственном реестре средств измерения и допущены к применению в Российской Федерации. Семейство модулей DCS-2000 включает разные серии (Ml, М2, М3). Контроллеры, построенные на базе модулей M3, используются в качестве центральных контроллеров, т.е. выполняют алгоритмы по управлению объектами автоматизации и используются в качестве сетевых контроллеров, обмениваются данными с модулями ввода-вывода.
В настоящее время фирмой «ЭМИКОН» разработан новый протокол информационного обмена между модулями центрального процессорного устройства и модулями УСО - EmiBus. С целью реализации данного протокола разработаны два новых модуля. Один из них - медиаконвертер МС-01А, содержащий оптические трансиверы. Модуль предназначен для сопряжения оптоволоконных линий связи с проводными. Второй модуль - сетевой С-44А, который обеспечивает опрос модулей УСО, рис. 3.
Таблица 2.
Технические характеристики модуля C-44A
Наименование параметра Значение параметра
Тип интерфейсов RS-485
Количество интерфейсных каналов RS-485 2
Максимальная скорость передачи данных, К6ит/с 921,6
Протокол обмена EmiBus
Наличие индикации информационного обмена по интерфейсным каналам RS-485 есть
Системный интерфейс Параллельная шина
Г абаритные размеры, мм 140x120x40
47
с
СибАК
Технические науки — от теории к практике
Напряжение питания, В 18 - 36
Г альваническая изоляция между внешним системным источником питания и питанием модуля, В, не менее 1000
Масса модуля, кг, не более 0,4
Таблица 3.
Технические характеристики модуля MC-01A
Наименование параметра Значение параметра
Типы интерфейсных каналов RS-485, оптический
Количество интерфейсных каналов RS-485 1
Количество интерфейсных каналов оптических 2
Максимальная скорость передачи данных, бит/с 2304000
Тип оптического кабеля многомодовый
Длина волны, нм 1310
Тип оптического соединителя ST
Отношение диаметров сердцевины к оболочке оптического кабеля, мкм 62,5/125
Максимальное расстояние передачи данных по оптоволокну, км 2
Максимальная длина кабеля интерфейса RS-485 при скорости 2304000 бит/с, м 300
Г абаритные размеры, мм 114x102x25
С помощью контроллеров, построенных на базе модулей, производимых компанией ЗАО «ЭМИКОН», можно создавать многоуровневые системы автоматизации без использования импортных изделий.
Рисунок 3. Резервируемый центральный контроллер с двухшинной
организацией
48
Технические науки — от теории к практике № 11 (47), 2015 г_______________________
www.sibac.info
Контроллеры ЭМИКОН широко применяются в сложных и ответственных системах автоматики на предприятиях различных отраслей промышленности - нефтегазовой, нефтехимической, атомной, металлургической, ракетно-космической и др.
Список литературы:
1. Автоматизированная система поддержания заданных условий транспортирования космических аппаратов к месту старта. /Е. Песляк, Г. Воронович. // СТА. - 2013. - № 3. - С. 50-55.
2. Латышев В.А. Моделирование элементов процессорных систем управления технологическим оборудованием // Технологические системы и техника. Первая электронная международная научно-техническая конференция. Сб. тр. - Тула, 2002. - 372 с.
3. Наземная инфраструктура / Система эксплуатации. Состояние и перспективы развития. - [Электронный ресурс] - Режим доступа. -URL: http: //www. sovkos.ru /cosmos/ information / 561.html.
4. Технологические объекты наземной инфраструктуры ракетнокосмической техники / Инженерное пособие, книга 3; под ред. И.В. Бармина. - М., 2012. - 251 с.
5. Чернышева Т.Ю., Удалая Т.В. Оценка риска проекта информатизации на основе продукционных правил// Научное обозрение. - 2013. - № 5. -С. 169-172.
6. PLC History. - [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.plcs.net/chapters/history2.htm.
7. SIMATIC Industrial Automation Systems. - [Электронный ресурс] - Режим
доступа. - URL: http: //www. automation. siemens.com
/mcms/automation/en/Pages/Default. aspx.
49
