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

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.

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  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  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.

Таблица  1. 

Решения  от  компании  АББ

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  (P,  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].

Рисунок  1.  Пример  промышленной  энергосистемы  с  использованием  интеллектуальных  электронных  устройств,  контроллера  автоматизации  энергосистем  COM600  и  System  800xA

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.

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  РН.  В  частности,  с  применением  этих  контроллеров  в  ЗАО  «СКБ  Орион»  был  создан  информационно-управляющий  комплекс  (ИУК)  для  управления  наземным  технологическим  оборудованием  космического  СК  РН  «Союз»  в  Гвианском  космическом  центре  (ГКЦ)  [1,  с.  50].  Комплекс,  имеющий  многоуровневую  иерархическую  структуру,  позволил  объединить  в  единое  информационное  пространство  разнородные  системы  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.

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,  проблемно-  ориентированные,  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,  с.  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  с  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  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  Государственном  реестре  средств  измерения  и  допущены  к  применению  в  Российской  Федерации.  Семейство  модулей  DCS-2000  включает  разные  серии  (М1,  М2,  М3).  Контроллеры,  построенные  на  базе  модулей  М3,  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

Таблица  3. 

Технические  характеристики  модуля  MC-01A

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

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  ракетно-космической  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