Многоуровневая архитектура

Промышленная сеть может быть подключена не только к одному компьютеру, как показано на рис. 1.7, но и к сети компьютеров, например, к локальной сети Ethernet (рис. 1.8) или глобальной сети Internet. Такая архитектура автоматизированной системы удобна при коллективной работе с системой автоматизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим. Например, при использовании системы с архитектурой, показанной на рис. 1.8, температуру в теплице или в силосах элеватора одновременно могут наблюдать дежурный оператор, главный инженер и директор хозяйства. На алюминиевом заводе [Хазарадзе] информация о ходе протекания процесса электролиза алюминия используется на 50 рабочих местах локальной компьютерной сети.

Рис. 1.8. Типовая современная распределенная система автоматизации, включающая три уровня иерархии (см. также рис. 1.9)

Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контроллерам осуществляется с помощью ОРС-сервера (см. раздел "Программное обеспечение" и [Iwanitz]). OPC серверы могут располагаться на нескольких компьютерах или контроллерах и доступ к любому из них может осуществляться с любого компьютера сети. Пример архитектуры такой системы показан на рис. 1.8. Она является достаточно общей и широко используется как для лабораторной автоматизации, так и для автоматизации технологических процессов. Отдельные промышленные сети на рис. 1.8 могут иметь различные протоколы и содержать оборудование разных производителей, а также различную физическую среду передачи данных - оптоволокно, медные провода, радиоэфир (через радио- или GSM-модемы) и др. Обычно ОРС сервер работает только с одним или несколькими портами ввода-вывода компьютера, к каждому из которых подключена одна промышленная сеть, поэтому количество ОРС серверов в системе меньше или равно количеству промышленных сетей. Благодаря наличию сети Ethernet в систему легко могут быть включены серверы баз данных, коммуникационные серверы, веб-серверы, принтеры, плоттеры, АТС, факсы, технологическое оборудование и другие устройства с Ethernet-интерфейсом [Шехтман].

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 61131-3, см. раздел"Программное обеспечение".

Системы управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу, когда структура системы выбирается подобной структуре объекта автоматизации, а каждая подсистема является локальной, т.е. все обратные связи замкнуты в пределах этой подсистемы. Каждая локальная подсистема выполняет отдельную функцию, задаваемую логикой функционирования всей системы. Объектный принциппостроения позволяет упростить проектирование многоуровневой системы и обеспечить ее структурную (архитектурную) надежность.

Анализ сложных систем управления позволяет выделить в них несколько однородных уровней иерархии, показанных на рис.1.9. Здесь WAN -"Wide Area Network" - глобальная сеть, LAN - "Local Area Network" - локальная сеть.

Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства (актуаторы): датчики температуры, давления, концевые выключатели, дискретные датчики наличия напряжения, измерительные трансформаторы, реле-пускатели, 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 4...20 мА, 0...20 мА, 0...5 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.

Рис. 1.9. Уровни иерархии современной АСУ [Lian ]

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:

o ERP (Enterprise Resource Planning) - планирование ресурсов предприятия;

o MRP (Manufacturing Resource Planning) - планирование ресурсов технологических подразделений предприятия;

o MES (Manufacturing Execution Systems) - управление производственными ресурсами;

o HRM (Human Resource Management) - управление человеческими ресурсами;

o EAM (Enterprise Asset Management) - управление основными фондами, техническим обслуживанием и ремонтами.

Количество уровней АСУ зависит от величины предприятия.

В последние годы большой интерес вызывало использование интернет-технологий в задачах управления, причем не только на уровне корпоративного управления, но даже на уровне технологического оборудования. Для этих целей используются web-серверы, которые могут быть расположены как на обычных персональных компьютерах, так и непосредственно в контроллерах или модулях ввода-вывода (так называемые микро web-серверы). С помощью любого web-браузера, например Internet Explorer, можно управлять технологическими процессами, открыв на микро-веб-сервере интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса, см. следующий раздел.