Форум АСУ в Україні

Більшість систем управління технологічними процесами є автоматизованими, тобто такими, що потребують участі людини в процесі керування. Це зумовлено рядом факторів. Насамперед, це те, що не завжди можна розробити алгоритм управління, за допомогою якого можна було б реалізувати повністю автоматичну систему управління. Для цього або недостатньо інформації про стан об’єкта управління, або в процесі управління можуть виникати непередбачувані ситуації, з якими не може впоратись існуюча система автоматизації. Крім того, навіть для традиційних і добре вивчених і відпрацьованих завдань автоматичного регулювання (стабілізуюче, програмне і слідкуюче) та задач дискретного управління періодичними процесами, для яких існують надійні алгоритми і програми управління, виникає необхідність коригування їх роботи. Нижче наведемо декілька прикладів.
У будь-якій переробній промисловості використовується сировина, якісні показники якої суттєво впливають на виконання технологічного процесу. Завдання технологів, залежно від показань вимірювальних приладів та результатів лабораторних аналізів, – визначити умови подальшого проходження технологічного процесу. Це робиться шляхом зміни заданих значень регульованих змінних. Тобто в системі управління процесом час від часу персонал (оператори) повинен змінювати уставки регуляторам.
У багатоасортиментному виробництві необхідно забезпечити випуск різної продукції на одному технологічному обладнанні. Необхідність зміни умов приготування потребує внесення корекцій у рецептуру (заданих значень параметрів, часових інтервалів, умов дозування тощо) та додавання нових рецептів. Це може зробити тільки людина.
Навіть у найдосконаліших системах час від часу виходить з ладу обладнання, потрапляють у технологічний потік сторонні предмети та відбуваються інші непередбачувані технологічним процесом події, які прийнято називати нештатними ситуаціями. Система управління може вчасно зреагувати на це шляхом сигналізації або блокування устаткування (задля усунення небезпеки), однак далі рішення повинна приймати людина. Для контролю за процесом вона повинна бути інформована і мати можливість ручного дистанційного керування виконавчими механізмами.
Виробництво із сезонним циклом роботи (наприклад, цукрові заводи) потребує періодичних пусконалагоджувальних робіт, при виконанні яких необхідне ручне керування виконавчими механізмами.
Налаштування регуляторів з часом перестають бути оптимальними у зв’язку зі старінням і заміною устаткування, зміною умов проходження технологічного процесу та ін. Обслуговуючий персонал, наприклад служба КВПіА, повинен мати можливість змінювати їх.
Це неповний перелік тих можливих ситуацій, де участь людини обов’язкова. У будь-якому випадку необхідно налагодити зв'язок, який би, з одного боку, давав можливість контролювати людині стан процесу та системи, а з іншого – забезпечував можливість втрутитися в процес управління. Тобто необхідно в системі управління передбачити людино-машинний інтерфейс (HMI – Human-Machine Interface). Під "машиною" в цьому випадку розуміється система з усіх технічних засобів, що бере участь у процесі вимірювання, контролю, сигналізації та управлінні, а під «людиною» – оператор-технолог, який бере безпосередню участь в процесі управління. Враховуючи, що людина, задіяна у процесі управління, є частиною даної системи, яка, в свою чергу, зветься автоматизованою системою управління технологічними процесами (АСУТП), вона займає відповідальну роль, оскільки саме вона приймає найвідповідальніші рішення в процесі управління. Людино-машинний інтерфейс є частиною автоматизованого робочого місця (АРМ) оператора.
На відміну від прямого візуального контролю та безпосереднього керування регулюючими органами, в АСУТП процес отримання людиною інформації та ручне управління проходить опосередковано через засоби людино-машинного інтерфейсу, контролери (ПЛК), виконавчі механізми та датчики (рис.7.1). Такий процес отримав назву супервізорного управління.
Для невеликих процесів лдино-машинний інтерфейс може бути реалізований з використанням кнопок, перемикачів, різного типу індикаторів. Приклад такого щита управління показано на
рис. 7.2 (1).
Однак більшість технологічних процесів потребує значної кількості елементів відображення та ручного управління, а також різного типу самописців та елементів сигналізації. У цьому випадку для реалізації людино-машинного інтерфейсу використовують операторські панелі, які ще називаються панелі оператора (рис.7.3). Це невеликі мікропроцесорні засоби з текстовим або графічним дисплеєм для відображення інформації та елементами управління – кнопками або/та сенсорним екраном. Передня частина таких панелей захищена від пилу, бруду, вологи, що дає змогу оператору управляти процесом безпосередньо біля об’єкта. Для захисту іншої частини панелі її розміщують у спеціальному щиті.
Для великих АСУТП панель оператора не забезпечує можливості контролю за всім процесом, архівування великої кількості параметрів, зв’язку з іншими системами управління процесами та виробництвом у цілому. Ці функції можуть бути реалізовані засобами людино-машинного інтерфейсу, побудованим на базі комп’ютерів зі спеціалізованим програмним забезпеченням. На виробництві такі автоматизовані робочі місця оператора-технолога розташовуються, як правило, в спеціально обладнаних диспетчерських, які захищають комп’ютери від пагубного впливу виробничих умов та надають можливість для нормальної роботи операторів (рис.7.4).
У диспетчерських приміщеннях для управління об’єктами з великим обсягом інформації застосовують також настінні екрани (рис.7.5).
Для реалізації нормальної роботи людино-машинного інтерфейсу необхідно забезпечити для нього двосторонній обмін даними:
– збирати інформацію про стан технологічного обладнання і значень технологічних параметрів;
– передавати команди оператора в зворотному напрямку.
При побудові АСУТП на базі програмованих контролерів, цими процесами займаються SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – супервізор не управління і збирання даних). Тобто організація роботи АРМ складається, як мінімум, з двох складових: SCADA – для збирання даних та управління та HMI – для реалізації людино-машинного інтерфейсу.
У АСУТП, побудованих на базі DCS (Distributed control system – системи розподіленого управління), база даних процесу єдина як для управління процесом у реальному часі так і для візуалізації. Тому окремо функція SCADA не виділяється, але процес створення людино-машинного інтерфейсу практично не відрізняється. Надалі будемо розглядати тільки системи, побудовані за принципом: контролери+SCADA+HMI.

Технічне та програмне забезпечення промислових мікропроцесорних контролерів оптимізовані для створення на їх базі систем керування обладнанням і технологічними процесами.
Як уже згадувалося, поява промислових микропроцесорних контролерів повязана насамперед з автоматизацією дискретних процесів і необхідністю заміни традиційних систем керування, які будувались на базі релейно-контактних або безконтактних логічних схем керування, що працювали за жорсткою логікою. Це й зумовило їхню загальну назву – програмований логічний контролер, який у міжнародних документах позначається як PLC (Programmable Logic Controller), а у вітчизняній літературі – ПЛК. І хоча функціональні можливості сучасних ПЛК давно вже вийшли за рамки вирішення цих завдань, така назва закріпилася за промисловими мікропроцесорними контролерами всіх типів, стала офіційною і знайшла своє відображення у відповідних стандартах.
Можна дати таке визначення ПЛК: програмований логічний контролер – це спеціалізований мікропроцесорний пристрій, призначений для керування виробничими процесами в умовах промислового середовища в реальному масштабі часу, для програмування яких використовуються мови програмування, добре зрозумілі неспеціалісту в галузі інформатики.
Можна виділити декілька основних рис ПЛК:
1. Наявність ‘‘технологічних’’ мов програмування, які максимально наближені до потреб кінцевого користувача і значно спростили програмування, налагодження та модифікацію прикладних програм. Це дало змогу підтримати основну властивість ПЛК – можливість оперативної зміни алгоритму керування програмним шляхом. Нині існує міжнародний стандарт МЕК 61131, згідно з яким рекомендовано п’ять мов програмування ПЛК: релейно-контактних схем, списку інструкцій, структурованого тексту, функціональних блоків і структурованих функціональних схем.
2. Блочно-модульний принцип побудови ПЛК (крім моноблочних контролерів) дає можливість за рахунок використання різноманітних модулів входу-виходу оптимізувати технічну структуру ПЛК для керування конкретним об’єктом. Тобто конфігурація ПЛК (перелік модулів, які входять до складу контролера) залежить від конкретного об’єкта управління і алгоритму управління ним. Це не тільки зменшує витрати на впровадження систем автоматизації, а й підвищує ремонтоздатність ПЛК.
3. Призначення ПЛК для використання в промислових умовах ставить досить жорсткі вимоги до надійності ПЛК та захищеності його від впливу різноманітних електромагнітних, вібраційних, кліматичних та інших перешкод. Це досягається за рахунок використання надійної елементної бази, стійких і надійних схемних рішень, спеціальних гальванічних розподільників, резервування, дублювання та інших заходів, а також високого технологічного рівня виробництва ПЛК.
4. Наявність широко розвинутої системи самодіагностики та тестування, за допомогою яких можна швидко визначити несправність та усунути її. Це є дуже важливою функцією, оскільки ПЛК - досить складний технічний засіб і визначення причини відмови ПЛК потребує досить високої кваліфікації обслуговуючого персоналу. Тому в разі виникнення технічної несправності ПЛК система діагностики допомагає швидко визначити модуль, у якому виникла несправність. Цей модуль повинен бути швидко замінений технічним персоналом і роботоздатність системи управління буде поновлена. А несправний модуль повинен бути переданий на ремонт у сервісну службу виробника ПЛК.
5. Для забезпечення роботи ПЛК у складі розподіленої АСУТП передбачена можливість організації обміну інформацією між окремими ПЛК та передачі технологічної інформації в системи організаційно-економічного управління за рахунок широкого використання промислових мереж, польових шин та комп’ютерних мереж.
На рис. 6.1 показано узагальнену структуру програмованого логічного контролера. Центральною частиною ПЛК є мікропроцесорний пристрій (МП, CPU), який керує операціями збору і оброблення даних від зовнішніх пристроїв і вироблення керуючих дій відповідно до розробленої програми користувача.


Мікропроцесорні модулі сучасних контролерів являють собою, як правило, мультипроцесорну систему, в якій задачі, які повинен виконувати мікропроцесорний модуль, розподіляються між окремими процесорами, робота яких взаємоузгоджена. Це викликано тим, що ПЛК повинен працювати в режимі реального часу, адекватно реагуючи на зміну стану обєкта керування.
Частина ресурсів памяті контролера використовується для зберігання операційної системи, якою керується мікропроцесорний модуль, а також для зберігання системної інформації про оперативний стан апаратного і програмного забезпечення. Саме ця інформація використовується для функціонування системи самодіагностики і тестування контролера.
Друга частина ресурсів памяті використовується для зберігання розробленої програми користувача, яка й визначає виконання алгоритму керування обєктом. Ємність памяті, яка використовується для зберігання програми користувача, визначає можливості даного ПЛК для створення прикладного програмного забезпечення.
Функціональні і технічні можливості мікропроцесорного модуля і модулів памяті визначають одну з основних характеристик ПЛК – його швидкодію, яка, як правило, вимірюється в швидкості оброблення 1 кілобайта (або кілослова) програми користувача або як час одноразового обслуговування всіх входів-виходів контролера, тобто робочого циклу ПЛК.
У ПЛК використовуються всі види памяті – ОЗП, ПЗП і ППЗП. Вони можуть або вбудовуватись у процесорний модуль або входити до складу контролера у вигляді окремих модулів або карт памяті. Це дає можливість сформувати память контролера, яка за характеристиками і ємністю найбільш відповідає прикладному завданню керування.
Як уже зазначалося, ПЛК призначений для управління об’єктом автоматизації, для чого він повинен отримувати інформацію від різноманітних датчиків і, згідно із заданим алгоритмом управління, виробляти сигнали для управління виконавчими механізмами. Для реалізації цього завдання до складу ПЛК входять різноманітні канали (часто в складі модулів або блоків), які забезпечують його зв’язок з датчиками і виконавчими механізмами. Основним завданням цих каналів є перетворення фізичних сигналів від датчиків на цифрову форму і навпаки - перетворення цифрової форми управляючих сигналів, вироблених мікропроцесорним модулем, на фізичні сигнали, які можуть керувати виконавчими механізмами.
Як уже зазначалося, ПЛК будується за блоково-модульним принципом (крім моноблочних контролерів) і сам ПЛК є проектно-компонованим виробом. Тобто типи модулів і їхня кількість залежать від обєкта автоматизації і алгоритму керування ним.
До складу сучасних ПЛК входить велика кількість різноманітних каналів, як правило, в складі модулів (блоків), які умовно можна поділити на декілька основних груп відповідно до існуючих типів датчиків і виконавчих механізмів.
Вхідні модулі:
 канали (модулі) дискретно-цифрового перетворення (ДЦП), до яких підключаються датчики з дискретним виходом (сигналізатори рівня, електроконтактні манометри та ін.) та управляючі технічні засоби (кнопки, перемикачі, датчики положення та ін.);
 канали (модулі) аналогового-цифрового перетворення (АЦП), до яких підключаються датчики з аналоговим уніфікованим електричним виходом, а також термометри опору і термопари;
 спеціалізовані канали (модулі), до яких підключаються специфічні вхідні сигнали, наприклад, модулі для підключення тензометричних датчиків вимірювання ваги; модулі лічильників; модулі безпеки; кодери і енкодери тощо.
Вихідні канали (модулі):
 канали (модулі) цифро-дискретного перетворення (ЦДП), до яких підключаються дискретні виконавчі механізми і технічні засоби (магнітні пускачі, сигнальні лампи та ін.), а також електричні виконавчі механізми з постійною швидкістю обертання (типу МЕО, МЕК та ін.);
 канали (модулі) цифро-аналогового перетворення (ЦАП), до яких підключаються аналогові виконавчі механізми, для управління якими використовуються уніфіковані електричні сигнали.
 спеціалізовані канали (модулі), до яких підключаються специфічні вихідні сигнали, наприклад, модулі для керування кроковими двигунаими, модулі безпеки та ін.
Останнім часом особливу увагу розробники приділяють розробленню комунікаційних модулів, які забезпечують підключення ПЛК до різноманітних промислових мереж. Комунікаційні канали також використовуються для підключення до ПЛК терміналів програмування. На сьогоднішній день в якості терміналів програмування використовуються комп’ютери зі встановленим спеціальним програмним забезпеченням – середовищем програмування ПЛК.