SCADA-системы. Средства HMI
Средний уровень АСУ ТП — программируемые логические контроллеры (ПЛК): функции, принципы работы, архитектура, разновидности, связь с КИП. Устройства сбора и передачи данных (УСПД) Верхний уровень АСУ ТП — человеко-машинный интерфейс (HMI): операторские панели, SCADA-системы, связь с ПЛК
Уровень оперативного контроля и управления технологическими объектами Включает оборудование, выполняющее следующие задачи: получение данных (сигналов состояния) от устройств нижнего уровня (полевых, КИП) обработка данных согласно заданной программе: принятие решений на основе полученной информации и формирование управляющих команд передача данных (управляющих команд) устройствам нижнего уровня (исполнительным механизмам и КИП) агрегация и передача данных другим устройствам среднего уровня и на верхний уровень АСУ ТП
К СУ относят, в основном, разнообразное контроллерное оборудование, выполняющее различные задачи: программируемые логические контроллеры (ПЛК), коммуникационные контроллеры, контроллеры УСО (устройств сопряжения с объектом), контролеры присоединения (на энергетических подстанциях) устройства сбора и передачи данных (УСПД), регуляторы (например, терморегуляторы) программируемые реле (ПР) и др. устройства, способные выполнять перечисленные задачи
PLC, programmable logic controller Программируемый логический контроллер Один из ключевых компонентов АСУ ТП устройство, предназначенное для выполнения алгоритмов управления, записанных пользователем в виде программы в память контроллера программа может быть многократно изменена пользователем и загружена в ПЛК с помощью ПО среды разработки обладают памятью (внутренней, внешней – SD, USB и др.) Принцип работы: сбор и обработка данных по программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства Существует множество производителей, моделей и типов ПЛК
Построены на микропроцессорах или микроконтроллерах По сравнению с обычными ПК обладают большей надёжностью и меньшим временем реакции (порядка мили- и даже микросекунд) Могут иметь: входы/выходы для сигналов, измерений и т.п. различные коммуникационные порты (Ethernet, оптика, RS-232, RS-485 и др.) встроенную операторскую панель (HMI). Бывают панельные ПЛК Часто имеют модульную архитектуру – съёмные модули решают различные задачи (аналоговый/цифровой ввод/вывод и т.п.) Различное исполнение: крепятся на DIN-рейку, устанавливаются в стойку или шкаф
Siemens Schneider Electric B&R ABB Emerson Rockwell automation Allen Bradley Honeywell Mitsubishi Yokogawa Овен Прософт-системы RealLab Trei и др.
Industrial Personal Computer, IPC предназначен для pаботы в производственных условиях в режиме реального времени, т.е. при возникновении какого-то случайного события должен незамедлительно реагировать на него, способен длительно работать в условиях повышенной вибрации, загрязнённости, перебоев в электропитании, в тяжелых температурных режимах. должен иметь минимум движущихся частей, желательно вообще обойтись без них, (SSD), вентиляторы не применяются, тепло отводится на наглухо закрытый корпус-радиатор,
стараются применять процессоры с минимальным TDP ( thermal designpower- предельно потребляемая мощность). Должны быть снабжены устройствами сопряжения с различными периферийными устройствами ( сканеры, панели HMI и др.), иметь сторожевой таймер (watchdog), позволяющего машине самостоятельно перезагружаться при зависании есть разные варианты исполнения (например, крепление в стойку 19’’) имеют значительно б о льшую стоимость по сравнению с обычнми ПК
как правило, не имеют сигнальных входов/выходов предназначены для сбора данных с интеллектуальных электронных устройств (IED) и других устройств нижнего уровня, конвертации протоколов, передачи данных в SCADA-системы и диспетчерские центры, взаимодействия с другими системами в стандартных протоколах.
устройство сбора и передачи данных предназначено для получения информации со множества КИП (например, счётчиков электроэнергии) и передачи другим устройствам (ПЛК) или на верхний уровень АСУ ТП не имеет программы, не выполняет задач обработки данных конфигурируются с помощью спец. ПО с ПК может выполнять агрегацию (объединение) данных не имеют сигнальных входов/выходов, только коммуникационные порты (RS-485, Ethernet и др.) Например, СИКОН, ЭКОМ
по задачам аналогичны ПЛК предназначены для простых локальных задач управления могут работать автономно или передавать данные другим устройствам или ПО имеют меньшее кол-во входов и выходов, меньшее кол-во возможных функций в программе часто имеют встроенный дисплей (HMI) как правило, монолитные, но могут иметь модули расширения например, Siemens Logo, Schneider ZelioLogic, Овен ПР и др. дешевле и проще, чем ПЛК
узко-специализированные контроллеры выполняют измерение и регулирование какой-либо физической величины в технологических процессах например, температуры, давления, влажности, расхода и других физических величин в системах отопления и водоснабжения, в сушильных шкафах, печах, пастеризаторах, в холодильной технике и другом технологическом оборудовании к ним подключаются датчики (например, термопара) и могут подключаться исполнительные механизмы (например, нагреватели, охладители, задвижки и др.) обычно содержат цифровой дисплей для отображения текущих значений и кнопки управления для настройки оператором также могут быть сконфигурированы с ПК дешевле и проще, чем ПЛК и ПР например, терморегуляторы ОВЕН ТРМ
Как правило, оборудование среднего уровня АСУ ТП монтируется в специальные шкафы и щитки управления размеры могут быть разными в основном – шкафы шириной 19’’ (как телекоммуникационные стойки) некоторые устройства имеют ширину 19’’ и крепятся на раму другие имеют меньшие размеры и крепятся на DIN-рейки и перфорированные панели сборку шкафов осуществляют инженеры-наладчики в соответствии с конструкторской документацией (КД), требованиями ПУЭ и другими регламентными документами
Для обеспечения высокой надёжности и отказоустойчивости АСУ ТП некоторые особо важные компоненты дублируются ( резервируются ) например, центральные контроллеры, коммутаторы, блоки питания и т.д. «горячий резерв» предполагает быстрое переключение с основного устройства на резервное (это время может измеряться в мс)
Задачи: сбор, агрегация и хранение данных, полученных со среднего уровня обеспечение человеко-машинного интерфейса (ЧМИ, HMI ) визуализация течения ТП в виде мнемо-схем для оперативного контроля и управления оператором отображение графиков изменения контрольных величин ( трендов ) оповещение в случае аварийных и нештатных ситуаций ( алармы, тревоги ) выполнение обработки данных согласно программам (сценариям) передача данных в другие системы (MES, ERP, другие SCADA) На Верхнем Уровне задействован человек, осуществляющий принятие решений
Состав: SCADA-системы сервер SCADA АРМы (автоматизированные рабочие места, ПК) пользователей – операторов, диспетчеров и др. операторские панели
Supervisory Control And Data Acqusition система диспетчерского управления и сбора данных программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления
SCADA используется в 2х режимах – разработки (develop) и выполнения (runtime) Программное Обеспечение SCADA может выполняться: на компьютере разработчика на сервере на ПК АРМ пользователей
Мониторинг ТП (отрисовка и анимация мнемосхем) Уровни доступа (разграничение по пользователям) Телеуправление Журналирование (фиксация сработки всех сигналов и действий пользователей) Тренды (вывод текущих и архивных телеизмерений на графике и установка контрольных точек) Архивирование (все журналы и тренды архивируются в БД)
Siemens WinCC Siemens WinCC Open Arcitecture (OA) Schneider Vijeo Citect B&R APROL (РСУ) Wonderware InTouch Infinity ARIS SCADA RedKit (ProsoftSystems) MasterSCADA Овен Телемеханика Лайт TraceMode и др.
Мнемосхемы визуализируют контролируемые и управляемые процессы, упрощают идентификацию и поиск нужной информации, способствуют незамедлительному принятию оператором правильных решений. Мнемосхема отображает схему системы в целом и взаимосвязь между основными системными объектами, предоставляет подробную информацию о состоянии отдельных составляющих.
Мнемосхемы помогают оператору, который сталкивается с большим количеством материала, упростить работу с поиском информации. Возможность видеть реальные данные о параметрах производственного объекта облегчают систематизацию и обработку поступающей информации, помогают проводить техническую диагностику при наличии отклонений от нормы, повышают эффективность принятия оператором решений. https://youtu.be/sKOlURbnT_4
Мнемосхемы реализуются с помощью разных типов средств отображения информации (мониторы компьютеров, дисплеи HMIтерминалов, стрелочные и цифровые индикаторы, проекционная техника и т. д.) и их комплексов. Мнемосхемы широко используются в диспетчерских пунктах управления энергетическими объектами и системами, пунктах управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности
Понятие «интерфейс» отражает формы, сред ства и возможности обеспечения взаимодействия двух или более систем (их компонентов) между со бой независимо от их физической или ментальной природы в процессе достижения их целей. Человеко-машинный интерфейс – это методы и средства обеспечения непосредственного взаи модействия между оператором и технической системой, предоставляющие возможности оператору управлять этой системой и контролировать ее ра боту. Обычно именно этот термин используется по отношению к взаимодействию между оператором и программным обеспечением ЭВМ, с которым он работает.
Сегодня существует три основных способа создания HMI. Первый и традиционный способ — это применение светосигнальной арматуры (рис. 1) в виде переключателей, кнопок, сигнальных ламп, маячков, колонн и т. д. Преимуществами такого метода являются относительно низкая стоимость реализации, высокая надежность и ремонтопригодность. Он подходит для отдельных технических агрегатов и установок (электродвигатели, насосные агрегаты, вентиляторы и т. д.), на которых реализованы несложные технологические процессы и где используются системы управления на базе релейно-контактных схем.
Второй способ является развитием первого. Дело в том, что для управления сложными технологическими объектами с большим количеством сигналов контроля и управления применение HMI, реализованных только на базе светосигнальной арматуры, будет неэффективным решением. Громоздкие пульты управления с множеством сигнальных ламп, переключателей, тумблеров не способствуют повышению качества взаимодействия с оперативным персоналом. Поэтому второй метод основан на применении таких технический решений, как панельные компьютеры и панели оператора
Человекомашинные интерфейсы. HMI на базе рабочих станций оператора Очень важным моментом в системе управления является организация взаимодействия между человеком и программно-аппаратным комплексом. Обеспечение такого взаимодействия является задачей человекомашинного интерфейса.( H M I - h u m a n machine interface ). Чем лучше организован HMI, тем эффективнее взаимодействие человек — система управления. В современных АСУ ТП HMI реализуется двумя способами : 1) на базе специализированных рабочих станций оператора, устанавливаемых в центральной диспетчерской; 2) на базе панелей локального управления, устанавливаемых непосредственно на технологических объектах.
предназначена для отображения HMI (визуализации ТП и ввода команд) в непосредственной близости от технологического объекта как правило, имеет дисплей для ввода команд может иметь кнопки или сенсорный дисплей имеет повышенную защиту от воздействий ТП (температуры, пыли, влаги, вибрации и т.д.) связана с оборудованием среднего уровня (ПЛК, ПР и др.) посредством стандартных пром.интерфейсов интерфейс для отображения на ОП разрабатывается пользователем в специальной среде и загружается с ПК
HMI на базе панелей локального управления В большинстве случаев рабочие станции устанавливаются централизованно в диспетчерском центре (операторной), охватывающем одну технологическую установку, производственный участок, а иногда и целое предприятие. Пункты локального управления называются операторскими панелями локального мониторинга и управления. Операторская панель представляет собой компактную вычислительную машину со встроенным жидкокристаллическим дисплеем. Типовая панель предоставляет пользователю следующие возможности: 1) визуализация параметров технологического процесса в текстовом или графическом режимах; 2) управление и обработка аварийных сообщений, регистрация времени и даты возникновения аварийных сообщений; 3) ручное управление с помощью функциональных кнопок или сенсорного экрана; 4) возможность свободного программирования графики и настройки функциональных клавиш; 5) построение диаграмм и трендов, отображение сводных отчетов.
В графическом режиме визуализация процесса происходит с помощью интерактивных мнемосхем, очень похожих на те, которые имеются в операторских станциях, только более компактных (это связано с ограниченным разрешением экрана). В текстовом режиме процесс отображается в виде строк или в виде специальных таблиц. Поскольку текстовый формат представления данных недостаточно нагляден и информативен, графические панели получили большее распространение. Операторские панели разных моделей различаются типом и размером экрана (монохромный или цветной), организацией управления (сенсорный экран или функциональные кнопки), количеством поддерживаемых сетевых коммуникационных протоколов, быстродействием процессора и объемом встроенной Flash-памя т. Интеграция операторской панели в систему управления зависит от поддерживаемых сетевых протоколов и наличия соответствующих коммуникационных интерфейсов. Большинство современных панелей поддерживают, по меньшей мере, два сетевых протокола: один служит для подключения панели к полевой шине ( Profibus, Modbus и т.д.), другой — для интеграции в сеть верхнего уровня ( Industrial Ethernet ). Подключенная к шине панель может выступать и как ведущий узел, и как ведомый.
Мобильные панели оператора SIMATIC Mobile Panel 177 / 277 / 277 IWLAN Панели оператора SIMATIC Mobile Panel предназначены для решения задач оперативного управления и мониторинга и позволяют выполнять весь объем функций человеко-машинного интерфейса из различных точек производственного предприятия. Панели могут использоваться с программируемыми контроллерами SIMATIC S5/ S7, системами компьютерного управления WinAC, программируемыми контроллерами других производителей
Человеко-машинные интерфейсы Omron HMI на базе ПК Основные характеристики: Обеспечение RAS компании Omron. Процессор Intel Celeron 1,3 ГГц в промышленном исполнении. Устройство хранения информации на основе флеш-памяти размером 1 Гб, использование карт CF для дополнительного хранения информации. Безвентиляторный радиатор охлаждения для повышения надежности. Использование курьерской службы для отправки в ремонт, 3 года гарантии, поставки на протяжении 5 лет, возможность ремонта - 7 лет.
Человеко-машинный интерфейс Omron HMI + Управление NSJ12 - это программируемый терминал с 12-дюймовым экраном в комбинации с ПЛК и сетевым интерфейсом. Omron HMI + Управление NSJ12 с экраном на 256 цветов (32768 при отображении объектов растровой графики) снабжена двумя USB-портами для загрузки экранов или их вывода на печать, а также разъемом для подсоединения дополнительной платы Ethernet. Программируемый терминал объединен в одном корпусе с ПЛК CJ1G-CPU 45H и сетевым интерфейсом DeviceNet или Profibus. Компактный корпус этого комбинированного устройства занимает меньше места, чем входящие в него отдельные продукты. Архитектура Sysmac One полностью прозрачна, поэтому и ПЛК, и сеть (включая полевые устройства), и программируемый терминал доступны через один порт, что, при дистанционном обслуживании системы, является большим преимуществом.
Третий способ — это реализация НMI на базе автоматизированных рабочих мест (АРМ), представляющих собой персональный компьютер (ПК) с развернутой SCADA-системой. Выбор того или иного способа организации HMI зависит от ряда факторов: сложности и архитектуры автоматизированной системы, целесообразности применения тех или иных технических решений и др. https://youtu.be/DgO6n6ndu7U
Средний уровень АСУ ТП — программируемые логические контроллеры (ПЛК): функции, принципы работы, архитектура, разновидности, связь с КИП. Устройства сбора и передачи данных (УСПД) Верхний уровень АСУ ТП — человеко-машинный интерфейс (HMI): операторские панели, SCADA-системы, связь с ПЛК
Какие устройства относятся к среднему уровню АСУ ТП? Какие задачи они решают? Опишите архитектуру и функции ПЛК. Для чего резервируются элементу системы управления? Что такое «горячий резерв»? Какие разновидности контроллеров используются на среднем уровне АСУ ТП и какие задачи они решают? Какие задачи решают программируемые реле и регуляторы? В чём их отличия от ПЛК? Какое оборудование и ПО относят к верхнему уровню АСУ ТП? Какие задачи оно решает? Опишите состав и функции SCADA-системы Что такое мнемосхема и ее функции Дайте определение HMI. Какие средства HMI используются в SCADA.
