Тема 1.1. Исторический обзор развития микропроцессорных систем управления

Конспект лекций по дисциплине

«Технические и программные средства комплексной автоматизации»

Содержание

Раздел 1. Общая характеристика объектов нефтегазовой отрасли и технических средств их автоматизации

Тема 1.1. Исторический обзор развития микропроцессорных систем управления

Исторически сложилось так, что изобретение микропроцессоров положило начало эры программируемых логических контроллеров - ПЛК (Programmable Logic Controller - PLC). Первые PLC пришли на замену дискретным системам управления на базе электромеханических реле.

В соответствии с требованиями задач, для решения которых они предназначались, для PLC было характерно преобладание дискретных входных и выходных сигналов (поэтому контроллеры и назвали логическими), высокое быстродействие, слаборазвитое программное обеспечение, не способное выполнять операции с плавающей запятой и функции ПИД-регулирования.

Одна из сфер применения PLC - системы телемеханики. PLC в этих системах играют роль контролируемых пунктов (КП) и называются RTU (Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство). Для дистанционной передачи данных PLC (RTU) снабжаются дополнительными коммуникационными модулями и программным обеспечением, реализующим какой-либо протокол передачи данных по проводным или радиоканалам. В нефтегазовой отрасли они нашли широкое применение при автоматизации процессов добычи и транспорта нефти и газа.

Несколько позже на замену аналоговым приборам (регуляторам) пришли DCS-системы (Distributed Control System - распределенные системы управления), адаптированные для управления непрерывными технологическими процессами. Это уже не просто контроллер, а целый комплекс технических и программных средств:

- набор процессоров с четко распределенными функциями (например,

управляющий, интерфейсный, прикладной);

- рабочие станции (станции оператора);

- каналы связи;

- ПО для конфигурирования (программирования) контроллеров и для

создания человеко-машинного интерфейса.

В 80-е годы оба рассмотренных выше класса микропроцессорных систем (на базе PLC и DCS) имели свои сферы применения и своих производителей.

В силу своей дороговизны DCS применялись, как правило, в крупных системах управления. В некоторых случаях в крупных системах PLC использовались как подсистема для решения задач противоаварийной защиты и блокировок.

Затем PLC стали приобретать некоторые свойства, которые позволили им успешно внедриться в сферу небольших систем управления непрерывными процессами. К этим свойствам можно отнести достаточно развитый ввод/вывод аналоговых сигналов и возможности ПИД-регулирования. Такие контроллеры получили название SLC (Single Loop Controller), так как они позволяли реализовать 1-2 контура регулирования. Подобные контроллеры были в номенклатуре многих производителей DCS и некоторых фирм- производителей PLC.

Большую роль в перераспределении рынка средств и систем управления в пользу PLC сыграло появление специализированного программного обеспечения операторских интерфейсов SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - супервизорное/диспетчерское управление и сбор данных). Это усилило проникновение PLC в те области, где они могли бы успешно конкурировать с DCS. DCS, в свою очередь, взяли на вооружение современные средства обработки дискретных сигналов. И, чтобы не быть окончательно вытесненными с рынка, производители DCS вынуждены были перейти к созданию " открытых" систем.

В результате борьбы за выживаемость на рынке наборы функций, реализуемых в PLC и DCS, а, следовательно, и области их применения, в значительной степени стали перекрываться. Уже к концу двадцатого столетия каждый второй PLC продавался для использования в управлении непрерывными технологическими процессами.

Характерной особенностью DCS 80-х годов была замкнутость их архитектуры и несовместимость с программно-аппаратными средствами различных фирм-производителей PLC. Это приводило к повышенным эксплуатационным затратам. Дальнейшее совершенствование DCS-комплексов могло бы потребовать огромных затрат от производителей. Решение проблемы было найдено в переходе к созданию " открытых" систем. Смысл этого заключался в использовании при создании DCS стандартных элементов, узлов, программного обеспечения, протоколов передачи данных и т.п. Стандартизация привела к появлению большого числа фирм, производящих отдельные элементы систем управления и еще большего количества " системных интеграторов" - компаний и фирм, которые собирали и внедряли под " ключ" законченные системы. Резко возросла конкуренция, что положительно отразилось на цене систем управления и их технических характеристиках.

В результате всех этих причин произошел постепенный переход от традиционной архитектуры DCS, в которой PLC выполняли роль подсистемы управления дискретными процессами, требующими быстрой реакции, к архитектуре, в которой PLC выполняет функции управления любыми непрерывными и дискретными процессами, а персональные или промышленные компьютеры служат в качестве операторского интерфейса и выполняют функции диспетчерского управления.

Нельзя сказать, что с помощью PLC можно реализовать любую систему управления непрерывными процессами. Имеется некоторая " область", в которой затраты при использовании PLC вместе с затратами на инжиниринг меньше аналогичных затрат при использовании DCS. Для большинства компаний границы этой области определяются из практического опыта. Первоначальная стоимость аппаратуры и программного обеспечения для систем управления на базе PLC практически всегда ниже, чем у систем на базе DCS. Однако в больших системах, требующих специальных работ по интеграции и программированию, стоимость системы на базе PLC может существенно возрасти и свести на нет всю первоначальную экономию. Как правило, применение PLC оправдано в небольших и средних приложениях до 150 контуров регулирования. А при дальнейшем увеличении контуров регулирования стоимость инжиниринга и задействованных контроллеров начинают неоправданно возрастать.

Сети DCS спроектированы так, чтобы обеспечивать высокую работоспособность и избыточность всех системных компонент, что позволяет исключить сбои. Тесная стыковка операторского интерфейса, контроллеров и системного программного обеспечения гарантирует высокую безопасность системы. Некоторые системы на базе PLC не могут дать такой же уровень избыточности.

Производители DCS предлагают общесистемную поддержку, осуществляемую обслуживающим персоналом одной фирмы на основе контрактов. Производители ПЛК и SCADA-систем обычно не осуществляют общесистемного обслуживания, особенно, если заказчик пользуется оборудованием разных изготовителей.

Разделение программно-аппаратных средств автоматизации на два класса - PLC и DCS - является историческим. Именно под такими названиями эти средства появились на российском рынке, но тогда реализуемые ими функции в системах управления были существенно разными. Сейчас уже можно констатировать, что функциональные возможности этих двух классов в значительной мере перекрываются.

В России контроллеры и системы ведущих мировых фирм сразу завоевали большую популярность. Износоустойчивая модульная структура, возможность реализации распределенных систем управления, высокая надежность обеспечили успех западным производителям. Но стоимость этих контроллеров и систем была (да и сейчас остается) очень высокой.

С середины 80-х годов в системах управления все чаще стали использоваться персональные компьютеры. Сначала они играли роль инженерных станций для конфигурирования DCS и технической диагностики. С появлением персональных компьютеров в промышленном исполнении и развитием программного обеспечения их все чаще стали использовать в качестве операторских станций в системах мониторинга и диспетчерского управления.

С середины 90-х годов в системах управления постепенно стала проявляться тенденция сосредоточения функций управления на т.н. промышленных компьютерах. Это было связано с резким падением цен на компьютеры и комплектующие изделия, платы ввода/вывода и средства коммуникации, а также с появлением универсального прикладного программного обеспечения типа SCADA и средств программирования контроллеров на базе IBM PC.

Использование IBM PC-платформы в контроллерах за рубежом называется " softlogic" (софтлоджик), а сами PC-совместимые контроллеры - " soft PLC" (софт ПЛК).

Появление в России таких контроллеров и дальнейшее их развитие обусловлено, в частности, тем, что у промышленных контроллеров соотношение производительность/цена оказалось лучше на 30-50 % по сравнению с традиционными PLC.

Промышленные компьютеры (контроллеры) представляют собой программно совместимые с обычными персональными компьютерами IBM РС машины (PC - совместимые контроллеры), адаптированные для жестких условий эксплуатации – для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, так как изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве устройств сопряжения с объектом управления эти системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения. В качестве операционной системы в промышленных РС, работающих в роли удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, а также различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы.

Компании-производители DCS, PLC и РС-контроллеров поставляют широкий комплекс программно-технических средств автоматизации.

Кроме микропроцессорных контроллеров нескольких модификаций в состав такого комплекса входят наборы модулей ввода/вывода, различные дисплейные пульты операторов. Для объединения этих компонентов в систему фирмы предлагают различные сетевые решения, снабжая свои комплексы наборами коммуникационных модулей для взаимодействия с сетями различных уровней. Обязательным компонентом является и прикладное программное обеспечение. Эти системы в России получили название программно-технических комплексов (ПТК).

Таким образом, к настоящему времени сложилось два направления на пути созданиямногоуровневых систем управления технологическими процессами:

- системы, построенные на базе PLC со своим пакетом программирования и станций оператора/диспетчера (ПК), оснащенных SCADA-пакетом человеко-машинного интерфейса, получившие название " SCADA-системы";

- " DCS-системы" - интегрированные системы, включающие контроллеры (процессоры), станции оператора (ПК), коммуникационное оборудование и интегрированное программное обеспечение.

В настоящем пособии рассмотрены контроллеры и программно-технические комплексы, нашедшие применение в системах управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности России.