В настоящее время автоматизация любых производственных процессов выполняется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК). На вход ПТК от датчиков поступают измеренные значения величин, характеризующих производственный процесс. Комплексы реализуют заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдают результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации. Все ПТК можно разбить на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте.

В статье рассматривается диапазон возможных классов ПТК, начиная с простейшего класса, минимального по функциям и объему автоматизируемого объекта, и заканчивая наиболее мощным классом полномасштабных распределенных систем управления (см. рисунок). Для каждой группы контроллерных средств описывается рациональная область применения. Формулируется методология выбора контроллерных средств, которая может быть руководством к действию при проведении тендера на производственном предприятии.

Как выбирать контроллерные средства  

Контроллер на базе персонального компьютера

Так как в последнее время появились многочисленные модификации персональных компьютеров в промышленном исполнении и повысилась надежность их работы, PC стали активно применятся для автоматизации производственных объектов. К важным достоинствам РС следует отнести открытую архитектуру, легкость подключения любых блоков ввода/вывода, выпускаемых третьими фирмами, возможности по использованию широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).

Контроллеры на базе РС (PC based control), как правило, управляют сравнительно небольшими замкнутыми объектами. Общее число входов/выходов контроллера на базе РС обычно не превосходит нескольких десятков соединений, а набор функций предусматривает либо сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих команд, либо вычисления по специализированным формулам, аргументами которых выступают измеряемые величины.

В общих терминах можно указать следующие условия, очерчивающие область применения контроллеров на базе РС в промышленности:

• выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта (необходима большая вычислительная мощность);

• средства автоматизации работают в окружающей среде, не отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

• операторам практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами.

К функциям такой поддержки относятся: глубокая диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматического резервирования, в т. ч. устранение неисправностей без останова устройства (использование жесткого малого времени цикла контроллера), модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т. д. Контроллер выполняет нестандартные функции, которые целесообразно программировать не на специальном технологическом языке, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, Pascal.

Локальный контроллер (PLC)

В настоящее время в промышленности используется несколько типов локальных контроллеров.

1. Встроенный, являющийся неотъемлемой частью агрегата, машины, прибора. Такой контроллер может управлять станком с ЧПУ, современным интеллектуальным аналитическим прибором, автомашинистом и др. оборудованием. Выпускается на раме без специального кожуха, поскольку монтируется в общий корпус оборудования.

2. Автономный модуль, реализующий функции контроля и управления небольшим изолированным технологическим узлом, как, например, районные котельные, электрические подстанции, резервуарные парки. Автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты для соединения в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой и интерфейсы, связывающие отдельные устройства через сеть с другими средствами автоматизации. В контроллер встраивается или подключается к нему специальная панель интерфейса с оператором, состоящая из алфавитно-цифрового дисплея и набора функциональных клавиш.

В этом классе следует выделить специальный тип локальных контроллеров, предназначенных для систем противоаварийной защиты.

Устройства отличаются особенно высокой надежностью, живучестью и быстродействием. В них предусматриваются различные варианты полной текущей диагностики неисправностей с глубиной до отдельной платы; защитные коды, предохраняющие информацию от искажений во время передачи и хранения; резервирование как отдельных компонентов, так и всего устройства в целом. В частности, к наиболее распространенным способам резервирования контроллеров этого типа относятся:

• горячий резерв отдельных компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление переходит ко второму контроллеру);

• троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с голосованием по результатам обработки сигналов всеми контроллерами, составляющими группу (за выходной сигнал принимается тот, который выдали большинство контроллеров группы, а контроллер, рассчитавший иной результат, объявляется неисправным);

• работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, и аналогичная пара находится в горячем резерве. При выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй паре; первая пара тестируется, и либо определяется наличие случайного сбоя и управление возвращается к первой паре, либо диагностируется неисправность и управление остается у второй пары.

Контроллеры, предназначенные для цепей противоаварийной защиты, должны иметь специальный сертификат, подтверждающий их высокую надежность и живучесть.

Контроллеры данного класса чаще всего имеют десятки входов/выходов от датчиков и исполнительных механизмов, небольшую или среднюю вычислительную мощность.

Мощность представляет собой комплексную характеристику, зависящую от разрядности и частоты процессора, а также объема памяти разного типа (оперативной, постоянной и т. д.).

Контроллеры реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, блокировок, регулирования. Многие из них имеют один или несколько физических портов для передачи информации на другие системы автоматизации.

3. Сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network).

Сетевые ПТК наиболее широко применяются для управления производственными процессами во всех отраслях промышленности. Минимальный состав данного класса ПТК подразумевает наличие следующих компонентов:

• набор контроллеров;

• несколько дисплейных рабочих станций операторов;

• системную (промышленную) сеть, соединяющую контроллеры между собою и контроллеры с рабочими станциями.

Контроллеры каждого сетевого комплекса, как правило, имеют ряд модификаций, отличающихся друг от друга быстродействием, объемом памяти, возможностями по резервированию, способностью работать в разных условиях окружающей среды, числом каналов входа/выхода. Так что можно подобрать контроллер для каждого узла автоматизируемого агрегата с учетом особенностей и выполняемых функций последнего и использовать один и тот же комплекс для управления разными производственными объектами.

В качестве дисплейных рабочих станций почти всегда используются персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении; большей частью с двумя типами клавиатур: традиционной алфавитно-цифровой и специальной функциональной - и оснащенные одним или несколькими мониторами с большими экранами.

Системная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собой повторителями и маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична и может представлять собой как периодические, так и случайные во времени короткие сообщения. К передаче сообщений предъявляются жесткие требования: они гарантированно должны доставляться адресату, а для сообщений высшего приоритета, например, предупреждающих об авариях, также следует обеспечить указанный срок передачи сообщений. Так что предпочтительные методы доступа к системной сети основываются на передаче маркера или на взаимодействии узлов сети по модели "ведущий/ведомый" ("Master/Slave"). Если применяется метод случайного доступа к сети, то во время возникновения аварийной ситуации может произойти резкое одномоментное увеличение числа экстренных сообщений и, как следствие, возникнуть затор в сети, что приводит не только к задержке доставки сообщений адресату, но и к их частичной потере.

Следует выделить телемеханический тип сетевого комплекса контроллеров, предназначенный для автоматизации объектов, распределенных по большой области пространства.

Системная сеть с характерной структурой и особые физические каналы связи (радиоканалы, выделенные телефонные линии, оптоволоконные кабели) позволяют интегрировать узлы объекта, отстоящие друг от друга на многие десятки километров, в единую систему автоматизации.

Рассматриваемый класс сетевых комплексов контроллеров имеет верхние ограничения как по сложности выполняемых функций, так и по объему автоматизируемого объекта. Обычно телемеханические комплексы решают типовые задачи измерения, контроля, учета, регулирования и блокировки, используя до нескольких десятков тысяч измеряемых и контролируемых величин.

Чаще всего сетевые комплексы применяются на уровне цехов машиностроительных заводов, агрегатов нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств (правда, не самых мощных), а также цехов предприятий пищевой промышленности. Телемеханические сетевые комплексы контроллеров используются для управления газо- и нефтепроводами, электрическими сетями, транспортными системами.

4. Распределенные маломасштабные системы управления (DCS, Smoller Scale).

Маломасштабные распределенные контроллерные средства в среднем превосходят большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и гибкости структуры, а следовательно, по объему и сложности выполняемых функций. В целом, этот класс еще имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства и набору реализуемых функций. Однако данная категория средств отличается от предшествующего класса тем, что имеет развитую многоуровневую сетевую структуру.

Так нижний уровень может выполнять связь контроллеров и рабочей станции компактно расположенного технологического узла, а верхний уровень поддерживать взаимодействие нескольких узлов друг с другом и с рабочей станцией диспетчера всего автоматизируемого участка производства. На верхнем уровне (уровне рабочих станций операторов) эти комплексы, по большей части, имеют достаточно развитую информационную сеть. В некоторых случаях расширение сетевой структуры идет в направлении применения стандартных цифровых полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами.

Подобная простая и дешевая сеть соединяет по одной витой паре проводов контроллер с множеством интеллектуальных полевых приборов, что резко сокращает длину кабельных сетей на предприятии и уменьшает влияние возможных помех, поскольку исключается передача низковольтной аналоговой информации на значительные расстояния.

Мощность контроллеров, применяемых в этом классе средств, позволяет в дополнение к типовым функциям контроля и управления реализовывать более сложные и объемные алгоритмы управления (например, самонастройку алгоритмов регулирования, адаптивное управление).

Маломасштабные распределенные системы управления используются для автоматизации отдельных средних и крупных агрегатов предприятий непрерывных отраслей промышленности, а также цехов и участков дискретных производств и цехов заводов черной и цветной металлургии.

5. Полномасштабные распределенные системы управления (DCS, Full Scale).

Это наиболее мощный по возможностям и охвату производства класс контроллерных средств, практически не имеющий границ ни по выполняемым на производстве функциям, ни по объему автоматизируемого производственного объекта. Нередки примеры использования одной такой системы для автоматизации производственной деятельности целого крупномасштабного предприятия.

Описываемая группа контроллерных средств отличается:

• развитой многоуровневой структурой, предусматривающей выделение трех уровней: информационного, системного и полевого, причем для организации отдельных уровней могут использоваться разные варианты построения сетей;

• клиент-серверным режимом работы;

• выходом на корпоративную сеть предприятия, систему управления бизнес-процессами, глобальную сеть Интернет, а также на уровень интеллектуальных приборов;

• широким модельным рядом применяемых контроллеров, различающихся по числу входов/выходов, быстродействию, объему памяти разного типа, возможностям по резервированию, наличию встроенных и удаленных интеллектуальных блоков ввода/вывода на все виды аналоговых и дискретных сигналов;

• широким диапазоном рабочих станций;

• мощным современным программным обеспечением, в состав которого входят:

а) интерфейсы операторов с системой управления, предусматривающие различные варианты построения на разных уровнях управления;

б) набор технологических языков с объемными библиотеками типовых программных модулей для решения задач контроля, логического управления и регулирования;

в) универсальные прикладные пакеты программ, реализующие типовые функции управления отдельными агрегатами, диспетчерское управление участками производства, технический учет и планирование производства в целом,

г) системы автоматизированного проектирования и конструкторского документооборота для разработки системы автоматизации.

Полномасштабные распределенные системы управления устанавливаются на электростанциях, крупных агрегатах типа "котел-турбина", нефтеперерабатывающих заводах для управления крекинг-процессами, охватывают все производство на химических и нефтехимических заводах и т. д.

Емкость рынка контроллерных средств

Приведем краткую оценку объема российского рынка контроллерных средств. На нем работают все международные лидеры - производители данной продукции: ABB (распространяющая также контроллерные средства фирм Baily Controls и Gartman & Braun), Emerson (бывшая Fisher-Rosemount), General Electric Fanuc Automation, Foxboro, Honeywell, Metso Automation (поглотила фирму Damatic Automation), Moore Products, Omron, Rockwell Automation, Siemens, Yokogawa, Schneider Automation и др. Всего порядка 15 фирм, каждая из которых предлагает от двух до пяти контроллерных средств разных классов.

Около 20 зарубежных производителей меньшего масштаба имеют российских дилеров, внедряющих их контроллерные средства на российских предприятиях (Koyo Electronics, Tornado, Triconex, PEP, Trey, Control Microsystems, GF Power Controls и др.).

Более 20 российских предприятий конкурируют с зарубежными производителями в разных классах контроллерных средств ("Автоматика", ДЭП, "Импульс", "Инсист Автоматика", "Интеравтоматика", "Квантор", НИИтеплоприбор, "НВТ-Автоматика", ПИК "Прогресс", "Саргон", "Системотехника", ТЕКОН, "Электромеханика", ЭМИКОН и др.).

Поскольку российские предприятия комплектуют контроллерные средства зарубежными микропроцессорами, стандартными сетями, типовым системным и прикладным программным обеспечением, то продукция отечественного производства оказывается вполне конкурентоспособной по сравнению с импортными аналогами. К сожалению, при этом ее стоимость также становится сопоставимой с зарубежными изделиями.

Организация тендера

Сложная задача выбора наилучшего как по техническим, так и по экономическим характеристикам контроллерного средства для автоматизации конкретного объекта может быть решена только в результате объективно проведенного конкурса (тендера), включающего в рассмотрение как можно более полный список подходящих по классу изделий.

Ниже кратко перечисляются основные этапы организации тендера:

1. Руководство предприятия принимает решение о конкурсном приобретении контроллерного средства и создает комиссию по организации и проведению тендера. Для получения более объективных результатов к сотрудничеству с комиссией привлекают специализированную консалтинговую компанию.

2. Конкурсная комиссия разрабатывает техническое задание. Задание должно содержать требования к контроллерным устройствам, сформулированные в конкретном виде и предусматривающие однозначное толкование участниками конкурса. Набор требований должен быть максимально полным и в то же время не допускать излишних подробностей, не влияющих на выбор.

3. Конкурсная комиссия проводит анализ имеющихся на рынке контроллерных средств (помощь на этом этапе могут оказать аналитические обзоры - Серия аналитических обзоров по автоматизации производства. Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН.), выделяет класс, отвечающий требованиям технического задания, и внутри этого класса отбирает фирмы, которым будут направлены приглашения к участию в конкурсе.

4. Конкурсная комиссия проводит предварительную работу с участниками конкурса: рассылает им техническое задание, консультирует по вопросам составления конкурсных заявок (технико-коммерческих предложений). Главное условие взаимодействия с фирмами - абсолютная идентичность требований, предъявляемых всем участникам конкурса.

5. Конкурсная комиссия выбирает, ранжирует и утверждает на руководящем уровне критерии сопоставления конкурсных заявок. Обычно в качестве критериев рассматриваются не только важнейшие технические и экономические характеристики средств, но также репутация и методы работы производителей на отечественном рынке.

6. Конкурсная комиссия рассматривает поступившие заявки и проверяет соблюдение всех обязательных требований технического задания участниками конкурса. Заявки, в которых не выполнены эти требования, отклоняются.

7. Конкурсная комиссия назначает группу экспертов для оценки и сопоставления заявок согласно сформулированным на этапе 5 критериям и определяет порядок проведения экспертизы поступивших заявок. Эксперты должны знать особенности автоматизируемого объекта, разбираться в свойствах предлагаемых средств, быть не ангажированными отдельными участниками конкурса.

8. Конкурсная комиссия разрабатывает сводные материалы по различным аспектам заявок, чтобы ускорить работу экспертов.

9. Экспертная комиссия проводит заседание, на котором ее члены:

• знакомятся с заявками и сводными материалами,

• обсуждают и сравнивают представленные сведения,

• ранжируют заявки по каждому заданному критерию.

10. Экспертная комиссия решает многокритериальную задачу выбора наилучшего предложения с учетом рангов заданных критериев и составляет рейтинговый список заявок.

11. Конкурсная комиссия выносит обоснованное заключение на основе рекомендаций экспертной комиссии.

12. Руководство предприятия утверждает результаты конкурса и заключает контракт с фирмой, занявшей первое место.

Предложенная классификация помогает охватить всю гамму современных контроллерных средств. Она носит приближенный характер, т. к. возрастающая открытость и типизация отдельных компонентов размывает границы между категориями контроллерных средств и позволяет конфигурировать микропроцессорные управляющие комплексы из модулей разных производителей. Несмотря на это, предложенный подход помогает определить класс контроллерных средств, наиболее подходящий для решения конкретных производственных задач. Именно класс, потому что конкретные марка и семейство контроллерных средств должны выбираться в результате проведения тендера, и в статье мы рассмотрели рациональную методику организации и проведения подобного конкурса.

Автор: Эммануил Ицкович (профессор, заведующий лабораторией методов автоматизации производства Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, д. т. н.)

Полезная ссылка по теме статьи: http://www.cta.ru/ - Сайт журнала СТА (современные технологии автоматизации), издаваемого в России с большим тиражом для специализированного журнала - 15000 экземпляров. Журнал освещает широкий спектр проектов по автоматизации в различных сферах человеческой деятельности. На сайте есть электронный архив всех номеров журнала, начиная с первого номера.