Распределенные системы

Локальное регулирование

Ни для кого не секрет, что сложность объекта автоматизации предопределяет сложность и стоимость АСУ, управляющую этим объектом.

Для простых объектов автоматизации, например, таких, как термопластавтомат, вполне достаточно локального регулятора. Локальные
регуляторы – это устройства, которые сочетают в себе функции измерения технологического параметра, его индикации и управления этим
параметром. Как правило, локальные регуляторы контролируют не более 10 технологических параметров, территориально расположены
близко от объекта автоматизации и не позволяют вносить изменения в алгоритм регулирования. Кроме того, возможности по визуализации
значений технологического параметра сильно ограничены: средства индикации у локальных регуляторов, как правило, не развиты.

При усложнении объекта автоматизации, росте числа контролируемых параметров, повышении требований к индикации локального
регулирования становится недостаточно. В этом случае может быть два решения.

Централизованная АСУТП

Первое – это применение промышленного контроллера с набором плат ввода-вывода. Тогда управляющий модуль (процессорный
модуль) и платы ввода-вывода будут находиться в одном устройстве. Процессорный модуль возьмет на себя реализацию всех алгоритмов
управления данным объектом автоматизации, а информацию от первичных датчиков процессорный модуль будет получать через платы
ввода-вывода. В этом случае система управления будет называться централизованной. Основными достоинствами централизованной
системы являются:

• Высокая скорость обмена данными между процессорным модулем и платами ввода-вывода. Это позволяет управлять объектами
  с малыми характерными временами, быстроизменяющимися технологическими параметрами, например, давлением.
• Высокая надежность связи между управляющим модулем и платами ввода-вывода. Ввиду малой протяженности линии связи мало влияние электромагнитных помех, мала вероятность механического повреждения линии связи и т.д.

Недостатки же централизованной системы такие:

• Прекращение функционирования управляющего модуля влечет за собой крах всей системы. Технологические параметры объекта
  перестают контролироваться.
• Линии связи от датчиков до плат ввода-вывода получаются довольно длинными, так как их приходится тянуть от всех датчиков
  объекта к одной стойке. Это снижает точность измерения.
• Процессорный модуль не может быть отнесен от объекта автоматизации на большое расстояние в силу того, что, фактически,
  корзина, содержащая управляющий модуль, связана с первичными датчиками линиями связи, которые должны быть как можно
  короче. Из-за этого управляющий модуль иногда вынужден работать в неблагоприятной климатической и/или электромагнитной обстановке.

Распределенная АСУТП

Второй вид решения – это применение распределенной системы управления. Это может быть реализовано, например, следующим образом: каждый конкретный технологический параметр объекта автоматизации управляется своим локальным регулятором. Все регуляторы
объединены в информационную сеть и передают данные о регулируемом параметре головному управляющему устройству (промышленному
компьютеру). Головное управляющее устройство также получает дополнительные данные о технологическом процессе от модулей удаленного ввода, обрабатывает их и управляет исполнительными механизмами объекта посредством модулей удаленного вывода. Головное устройство также решает задачу визуализации технологического процесса и задачу архивирования данных, если это необходимо.

Достоинства распределенной системы:

• Более высокий уровень надежности, обеспечиваемый самой идеологией такой системы. В случае выхода из строя головно го управляющего устройства, система в целом продолжает функционировать, технологические параметры продолжают контролироваться.
• Локальные регуляторы и модули удаленного ввода-вывода могут располагаться в непосредственной близости от объекта регулирования и передавать данные о технологических параметрах в цифровой форме головному устройству. Это, с одной стороны, снижает  вероятность возникновения погрешностей в этих данных, а с другой – позволяет передать данные на большое расстояние. Головное устройство уже больше не привязано к управляемому объекту.

Недостатки распределенной системы:

• Низкая скорость;
• Разнородность;
• Длинные линии связи, ошибки, потеря связи.

Естественно, распределённая система может быть сосредоточена в одном месте. Далее речь пойдёт о распределённых системах.

Полевые шины

Существует несколько стандартов полевых шин, применяемых в распределенных системах автоматизации. Стандарты бывают корпоративные (как правило, закрытые), поддерживаемые группами фирм, и международные. Международными стандартами становятся наиболее широко поддерживаемые открытые корпоративные стандарты.

Все серьезные протоколы имеют за плечами поддержку в виде сильных компаний и международных ассоциаций пользователей. Все
опираются на те или иные стандарты.

Идет взаимопроникновение протоколов. Например, такие протоколы, как DeviceNet (Allen Bradley), SDS (Honeywell) имеют в своей
основе CANBus.

Для обеспечения взаимодействия устройств, работающих с разными протоколами, на сегодняшний день существует множество аппаратных шлюзов. Например, устройство, работающее по протоколу Profibus DP, может быть связано с устройством, работающим по Modbus, посредством шлюза (gate). Такие шлюзы есть практически для любых комбинаций распространенных протоколов.

У всех протоколов имеется хорошо проработанная аппаратная поддержка.

Осмысленный выбор того или иного протокола может быть сделан на основе набора критериев:

• открытость протокола: насколько доступны спецификации и стандарты, на которые опираются эти протоколы;
• отсутствие лицензионной платы за использование этого протокола;
• перспективность: насколько тот или иной протокол поддерживается производителями, развивается, и существует ли гарантия поддержки протокола производителями в течение срока эксплуатации объекта;
• поддержка в стране пользователями, а лучше – группами пользователей, доступность примеров реализации.

В России наиболее популярны протоколы:

• ModBus;
• ProfiBus;
• HART;
• Foundation FieldBus;
• Заметна тенденция перевода наиболее быстродействующих участков сетей на Ethernet.

Состав распределенной системы

Крупно можно выделить три основных уровня автоматизации:

1. Нижний уровень – уровень объекта управления. Оборудование этого уровня – исполнительные механизмы, датчики, модули
   удаленного ввода-вывода.
2. Уровень управления технологическим процессом. Оборудование этого уровня – локальные регуляторы и программируемые контроллеры. Иногда вся система автоматизации заканчивается на этом уровне.
3. Уровень управления предприятием. Оборудование – управляющие промышленные компьютеры. На этом уровне система управления строится на специальном программном обеспечении, например, системах SCADA, о которых вскользь упоминалось выше.

Кроме того, имеется разнообразное вспомогательное оборудование: собственно полевая шина и аппаратура, ее обслуживающая;
модули сопряжения сетей, работающих в разных протоколах (например, на оборудовании от разных производителей) и т.д.