Введение

С ростом количества датчиков, увеличением площади территории, на которой расположена автоматизированная система, становится более эффективным решением — применение Распределенных Систем Управления (РСУ). Онализируя современный рынок РСУ можно выделить несколько корпараций как использующие распределённые системы управления, так и разрабатывающие её состовляющие.

ABB (Asea Brown Boveri) — швейцарская корпорация, специализирующаяся в области электротехники и энергетического машиностроения. На предприятиях используются компьютеры и информационные базы на основе Microsoft, для создания и поддержки серверов с информацией. Для управления процессами используется технология OLE которая является отраслевым стандартом связи. Создала новую систему 800xA для максимальной функциональности с помощью полевой шины. Сейчас техника полевой шины использовалась для интеграции приложений мониторинга машин, приводов, качества и состояния в одну РСУ с системой Valmet DNA. [1]

B&R (Bernecker + Rainer Industrie-Electronik) - австралийская компания вот уже более 30 лет занимается разработкой и производством оборудования и программного обеспечения для промышленной автоматизации. Компания также предлагает системы распределенного управления, для построения которых используется оборудование из стандартных линеек продукции, таких как:Программируемые логические контроллеры (ПЛК), системы распределённого ввода-вывода, промышленные компьютеры, панели оператора, сервоприводы. Программируемый контроллер- специальная разновидность электронной вычислительной машины, промышленный компьютер, предназначен для обеспечения работы программных средств в промышленном производственном процессе на предприятии в рамках автоматизации технологических процессов, операторская панель- специализированное вычислительное устройство массового либо крупносерийного производства, реализованное в виде промышленного контроллера, широко использующее человеко-машинный интерфейс для управления операторами отдельными автоматизированными устройствами или целыми технологическими процессами, сервопривод- механический привод с автоматической коррекцией состояния через внутреннюю отрицательную обратную связь, в соответствии с параметрами, заданными извне. [2]

Foxboro — мировой лидер в поставках систем автоматизации, "интеллектуальных" полевых средств измерений, передовых программных приложений, дополняемых всесторонней инженерной поддержкой, обслуживанием и обучением персонала в отрасли автоматизации. Создатель распределенной системы управления EcoStruxure Foxboro обновленная система Foxboro Evo, инновационного семейства отказоустойчивых и доступных компонентов управления, которые консолидируют важную информацию и предоставляют персоналу дополнительные возможности по обеспечению бесперебойной и непрерывной работы объект. [3]

Анализируя всё вышесказанно можно сделать выводы что РСУ уже зарекомендовали себя по всему миру как надёжная система использующаяся во многих отросляж производства. Задача моего реферата состоит в том, чтобы более подробно расскрыть тему РСУ, её структуру, общие понятия, требования , задачи и т. д.

Общее понятие распределённых систем управления.

РСУ - система, состоящая из множества устройств, распределённых в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи. Система управления технологическим процессом, отличающаяся построением распределённой системы ввода-вывода и децентрализацией обработки данных. Элементы системы могут находиться на довольно большом расстоянии, а связь между ними может выполняться через интернет.[4]

В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устройства, например, программируемые логические контроллеры или находящиеся на разном расстоянии, модули ввода-вывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере.[5]

Одни из первых инструментальных средств, для создания РСУ были представлены на рынок в 1975 году компаниями Honeywell и Yokogawa.

Распределенные системы могут быть непрерывными и дискретными:

Непрерывные распределенные системы характеризуются бесконечным количеством элементов, а также тем, что на любом расстоянии любого элемента находится, по крайней мере, еще один элемент. В свою очередь дискретной системой называют, любую систему управления, в которой используются дискретные сигналы в замкнутом контуре.

Структура РСУ

Обычно распределенная система управления включает большое количество связок менеджер - агент, которые дополняются рабочими станциями операторов сети, с помощью которых они получают доступ к менеджерам.

Каждый агент собирает данные и управляет определенным элементом сети. Менеджеры, собирают данные от своих агентов, обобщают их и хранят в базе данных. Операторы, работающие за рабочими станциями, могут соединиться с любым из менеджеров и с помощью графического интерфейса просмотреть данные об управляемой сети, а также выдать менеджеру некоторые директивы по управлению сетью или ее элементами. [6]

Рисунок 1 – Распределённая система управления

Наличие нескольких менеджеров позволяет распределить между ними нагрузку по обработке данных управления, обеспечивая масштабируемость системы (рис. 1).

Как правило, связи между агентами и менеджерами носят более упорядоченный характер, чем тот, который показан на картинке выше. Чаще всего используются два подхода к их соединению - одноранговый и иерархический. В случае одноранговых связей (рис.2) каждый менеджер управляет своей частью сети на основе информации, получаемой от нижележащих агентов. Центральный менеджер отсутствует. Координация работы менеджеров достигается за счет обмена информацией между базами данных каждого менеджера.[7]

Рисунок 2 –Одноранговые РСУ

Одноранговое построение системы управления (рис.2) сегодня считается неэффективным и устаревшим. Обычно оно вызвано тем обстоятельством, что элементарные системы управления построены как монолитные системы, которые первоначально не были ориентированы на модульность системы, например, многие системы управления, разработанные производителями оборудования, не поддерживают стандартные интерфейсы для взаимодействия с другими системами управления. Затем эти менеджеры нижнего уровня стали объединяться для создания интегрированной системы управления сетью, но связи между ними оказалось возможным создавать только на уровне обмена между базами данных, что достаточно медленно. Кроме того, в базах данных таких менеджеров накапливается слишком детальная информация об управляемых элементах сети, вследствие чего такая информация малопригодна для координации работы всей сети в целом. Такой подход к построению системы управления называется подходом «снизу вверх».

Рисунок 3 –Иерархическое РСУ

Гораздо более гибким является иерархическое построение связей между менеджерами (рис.3). Каждый менеджер нижнего уровня выполняет также функции агента для менеджера верхнего уровня. Такой агент работает уже с гораздо более укрупненной моделью своей части сети, в которой собирается именно та информация, которая нужна менеджеру верхнего уровня для управления сетью в целом. Обычно для разработки моделей сети на разных уровнях проектирование начинают с верхнего уровня, на котором определяется состав информации, требуемой от менеджеров-агентов более низкого уровня, поэтому такой подход назван подходом «сверху вниз». Он сокращает объемы информации, циркулирующей между уровнями системы управления, и приводит к гораздо более эффективной системе управления.

Отличия РСУ от ССУ

Во многих случаях термин "распределенная" является антонимом к термину "сосредоточенная". Так как: Сосредоточенные системы управления (ССУ), состоят из отдельных элементов, занимающих относительно небольшой объем пространства и реализующих некоторую функцию преобразования. В свою очередь распределённые системы управления (РСУ), состоят из элементов, связывающих некоторые сосредоточенные элементы между собой. Их основная задача не преобразование, а передача чего-либо в системе от одного элемента к другому.

С ростом блоков ввода-вывода и соответственно — количество датчиков в системе, показательно увеличивает число и суммарную длину проводов, соединяющих датчики с устройством ввода. Это приводит не только к росту стоимости кабельного оборудования, но и к проблемам, связанным с электромагнитными наводками, особенно если датчики распределены по большой площади.

В распределенной системе модули ввода-вывода изготавливаются с небольшим количеством входов (обычно от 1 до 16), а сами модули располагаются вблизи места установки датчиков. Увеличение количества входов достигается путем наращивания числа модулей и объединения их с помощью общей шины. Это сокращает общую длину проводов в системе, а также уменьшает длину проводов с аналоговыми сигналами.

Распределенным системам присуща более высокая степень модульности. Они содержат множество компонентов, которые также могут быть разбиты на части. Эти компоненты являются автономными, это означает, что в любой момент времени они имеют полный контроль над своими частями. При этом не существует главного компонента, который бы управлял всеми побочными компонентами распределенной системы, чтобы распределенная система выглядела как интегрированное вычислительное средство. Для компонентов должны быть определены интерфейсы, при помощи которых они могли бы взаимодействовать друг с другом.

Распределенная система может содержать компоненты, используемые только одним пользователем, т.е. могут использоваться в монопольном режиме. Фактически, это одно из основных достоинств распределенных систем. Если компонент перегружен слишком большим количеством пользователей или заявок от других компонентов, то в распределенную систему можно добавить другой компонент, способный предоставлять те же услуги. И разделить между ними нагрузку. Кроме того, компоненты могут размещаться так, чтобы они были локальными для пользователей и других компонентов, с которыми взаимодействуют. Эта локальность поддерживает общую производительность распределенной системы, поскольку локальные связи в общем случае более эффективны, чем связи между удаленными друг от друга компонентами.

Вследствие автономности в распределенных системах компоненты работают одновременно. В общем случае число процессов в системе равно их количеству. Кроме того, компоненты часто являются многопоточными; при каждом запуске они могут создавать новый поток, обслуживающий пользователя или дугой компонент. Таким образом, занятый обслуживанием компонент не блокируется и доступен для следующих заявок. В дополнение к этому процессы распределенной системы обычно выполняются не на одном процессоре. Следовательно, взаимодействие процессов включает связь по сети с другими машинами.

Требования к современным РСУ.

Отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно и остановка технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость достигается путем дублирования аппаратных и программных компонентов системы, использования компонентов повышенной надежности, внедрения развитых средств диагностики, а также за счет технического обслуживания и непрерывного контроля со стороны человека.

Масштабируемость (единая конфигурационная база данных). РСУ должна одинаково хорошо подходить для автоматизации как одной установки, так и для всего завода. При этом система должна легко расширяться для того, чтобы охватить новые производственные участки. Расширение системы должно по возможности проходить без остановки уже внедренных участков системы.

Простота разработки и конфигурирования. Система должна предлагать инженерам целый набор подготовленных программных компонентов и средств разработки. К ним относятся: пакеты визуального программирования, графические библиотеки, функциональные блоки, настроенные сетевые протоколы и интерфейсы. Вообще степень интеграция программных компонентов, входящих в состав РСУ, достаточно велика. Изменения, выполненные в одном программной модуле системы, должны автоматически отражаться во всех зависимых модулях. [8]

Поддержка территориально распределённой архитектуры. В действительности расстояние между технологическими установками, объединенными в одну систему управления, порой достигает нескольких километров. Система может покрывать большие площади. Это стало возможным за счет применения современных сетей и шин передачи данных, таких как: Ethernet или специальная промышленная шина Profibus DP. При этом используются как медные кабели, так и оптоволокно. Цифровая сеть позволяет объединить разнесенные компоненты системы в единый программно-аппаратный комплекс.

Развитый человеко-машинный интерфейс. Для этого служит операторская станция, отображающая технологическую информацию в виде интерактивных графических мнемосхем, а также для эффективного управления процессом. На мнемосхемах показывается такая информация как: параметры ввода/вывода, значения процессных переменных, аварийные сигнализации, диагностика аппаратных модулей системы, графики, отчеты и т.д. На станции оператор может, например, посмотреть показание любого датчика, вручную закрыть клапан, запустить насос или задать новые параметры температуры.

После выполнения и проверки всех вышесказанных требований, РСУ обязана выполнять её основные задачи:

Соединение пользователей с ресурсами. Это означает что оператор работающий на предприятии должен в любой момент иметь доступ ко всем ресурсам, находящимися в работе.

Прозрачность. Свойство систем, которые представлены в виде единой компьютерной системы.

Открытость. Система, предлагающая службы, вызов которых требует стандартные синтаксис и семантику.

Масштабируемость. Система должна гибко адаптироваться к добавлению ресурсов. Коммуникационная подсистема должна справляться с увеличением числа узлов системы, а производительность распределенной системы должна увеличиваться пропорционально их количеству.

Как правило, существует три типа распределенных вычислительных систем со следующими целями:

Распределенные информационные системы: распределяют информацию по разным серверам с помощью нескольких моделей связи.

Распределенные всеобъемлющие системы: используют встроенные компьютерные устройства как: мониторы ЭКГ, датчики, мобильные устройства и т.д.

А также распределенные вычислительные системы: компьютеры, обменивающихся данными в сети посредством передачи сообщений.

Примечание. Важной частью распределенных систем является теорема CAP, которая утверждает, что распределенное хранилище данных не может одновременно быть согласованным, доступным и устойчивым к разделам. [9]

Анализ сложных РСУ позволяет выделить в них несколько уровней иерархии.

Нижний уровень. Включает в себя датчики и исполнительные устройства, как правило, имеющие цифровой интерфейс, позволяющий передавать информацию по цифровым сетям нижнего уровня :AS – интерфейс, HART – протокол и др.

Второй уровень. Состоит из программируемых логических контроллеров с модулями ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети. На этом уровне могут использоваться ПЭВМ. Оператор процесса наблюдает за его ходом и осуществляет управление с помощью мнемосхемы на мониторе ПЭВМ на базе SCADA-системы.

Децентрализованные и распределенные системы управления.

Существует довольно много споров о разнице между децентрализованными и распределенными системами. Децентрализованная система по существу распределена на техническом уровне, но обычно децентрализованная система не принадлежит одному источнику.

Управлять децентрализованной системой сложнее, поскольку вы не можете управлять всеми участниками, в отличие от распределенного единого курса, где все узлы принадлежат одной команде / компании.

Распределенные системы используются во всех сферах, от электронных банковских систем до сенсорных сетей и многопользовательских онлайн-игр. Многие организации используют распределенные системы для поддержки сетевых служб доставки контента.

В сфере здравоохранения распределенные системы используются для хранения и доступа, а также для телемедицины. В сфере финансов и торговли многие сайты онлайн-покупок используют распределенные системы для онлайн-платежей или системы распространения информации в финансовой торговле. Также используются для транспорта в таких технологиях, как GPS, системы поиска маршрутов и системы управления дорожным движением. Сотовые сети также являются примерами распределенных сетевых систем из-за их базовой станции.[10]

Google использует сложную и изощренную инфраструктуру распределенной системы для своих возможностей поиска. Некоторые говорят, что это самая сложная распределенная система на сегодняшний день.

Сферы применения РСУ

Химия и нефтехимия. На сегодняшний момент все перерабатывающие предприятия «Газпром нефти» оснащены цифровыми распределенными системами управления. Ряд контрольно-измерительных приборов все еще остаются аналоговыми, однако им на смену также приходят цифровые. В первую очередь речь идет о средствах коммерческого учета, точность измерений которых имеет юридическую значимость. Кроме того, это касается контроля ключевых технологических параметров на наиболее важных установках.

Нефтепереработка и нефтедобыча. Информационные системы, используемые на нефтяных месторождениях, становятся все более совершенными, и, соответственно, ценность и удобство восприятия собираемой ими информации постоянно улучшаются. Современные информационные системы позволяют получать в удобной для оператора форме данные со скважин, сборных пунктов, резервуарных парков, установок первичной подготовки нефти, дожимных и кустовых насосных станций в режиме реального времени. Материальную основу для сбора информации обеспечивают современные контроллеры и системы управления базами данных, которые позволяют хранить и обрабатывать данные технологических процессов как в режиме реального времени, так из реляционных баз данных.[11]

Газодобыча и газопереработка. Благодаря автоматизации можно добиться многочисленных преимуществ в добычи и переработки газа. Усовершенствованные стратегии управления помогают операторам обеспечивать целостность активов и скважин, увеличивать отдачу месторождений и улучшать пропускную способность. Интеллектуальные контрольно-измерительные устройства гарантируют точность данных о важнейших эксплуатационных параметрах. Надежные системы управления обеспечивают оптимальное использование возможностей оборудования для повышения прибыльности и производительности.

Металлургия. Непрерывность технологических процессов черной металлургии создает весьма благоприятные условия для комплексной автоматизации. Основные применения автоматизации на участках являются: механизмы дистанционного управления, оснащение агрегатами контрольно-измерительных приборах. Максимальный экономический эффект от автоматизации может быть получен, когда в процессе проектирования технологического агрегата предусматривается его механизация, создаются резервы ресурсов управления и технологический процесс строится с учетом использования достижении современной науки управления - кибернетики. Расчеты показывают, что капитальные затраты на автоматизацию объектов окупаются в 3-4 раза быстрой, чем капитальные затраты на строительство новых производственных агрегатов. Кроме того, повышается и стабилизируется качество продукции.

Пищевая промышленность: молочная, сахарная, пивная и т.д. Пищевая промышленность всё больше оснащается автоматами и полуавтоматами для расфасовки, дозировки и упаковки продукции и автоматическими линиями по производству различных продуктов питания.

Энергоснабжение и т.д. С целью повышения эксплуатационной, надежности, долговечности и эффективности работы энергетического оборудования, для решения задач диспетчерского, производственно-технологического и организационно-экономического управления энергохозяйством предприятия могут оснащаться РСУ

Контролеры для распределённых систем управления.

Контроллер (от англ. Control) - управление. Контроллером в автоматизированных системах называют техническое средство, выполняющее функции управления физическими процессами в соответствии с заложенным алгоритмом, с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой на окончательные устройства. Любое устройство, способное работать автоматически, имеет в своем составе управляющий контроллер - модуль, определяющий логику работы устройства.

В связи с резким удешевлением микропроцессорной техники с одновременным повышением их надежности и характеристик, уменьшением их размеров и увеличением их функциональных возможностей появилось большое количество малогабаритных контроллеров и компьютеров, обладающих невысокой стоимостью.

Наличие развитых сетевых средств позволяет связывать эти контроллеры в единую сеть, причем различные узлы этой сети могут быть разнесены друг от друга на достаточно большие расстояния. Приведи два три типа отечественных и импортных контроллеров и их назначение.

Аппаратно контроллеры имеют модульную архитектуру и могут состоять из следующих компонентов:

Базовая панель (Baseplate). Она служит для размещения на ней других модулей системы, устанавливаемых в специально отведенные позиции. Внутри базовой панели проходят две шины: одна - для подачи питания на электронные модули, другая – для пересылки данных и информационного обмена между модулями.

Модуль центрального вычислительного устройства (СPU). Это мозг системы. Собственно в нем и происходит математическая обработка данных. Для связи с другими устройствами CPU часто оснащается сетевым интерфейсом, поддерживающим тот или иной коммуникационный стандарт. Дополнительные коммуникационные модули. Необходимы для добавления сетевых интерфейсов, неподдерживаемых напрямую самим CPU. Коммуникационные модули существенно расширяют возможности ПЛК по сетевому взаимодействию. C их помощью к контроллеру подключают узлы распределенного ввода/вывода, интеллектуальные полевые приборы и станции операторского уровня.[12]

Блок питания. Электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию сети переменного тока в электроэнергию с необходимыми параметрами .

Заключение.

В данной статье была широко раскрыта тема распределённых систем управления, их: общее понятие системы, структура, отличие от ССУ, современные требования, основные задачи, типы РСУ, уровни иерархии, тема децентрализации и распределённости, сферы применения, контролеры использующиеся на современныx распределённых системах управления, современный рынок РСУ с примерами компаний, как производителей, так и потребителей.

На основе проведенного анализа показано, что РСУ является передовой системой управления для современных предприятий и имеет широкие возможности для модернизации, включая не только совершенствование оборудования, датчиков и контроллеров, но и саму структуру, разрабатывая новую архитектуру распределенных систем управления с централизацией на основе SCADA - систем.

Список литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/ABB (6.10.2021)

https://ru.wikipedia.org/wiki/B%26R(6.10.2021)

https://isup.ru/articles/3/11410/(6.10.2021)

https://finestart.school/media/Distributed_control_systems(6.10.2021)

https://infopedia.su/12x3d4d.html(6.10.2021)

https://studopedia.ru/15_90630_strukturi-raspredelennih-sistem-upravleniya.html(20.10.2021)

https://helpiks.org/8-78229.html(6.10.2021)

https://bestprogrammer.ru/izuchenie/chto-takoe-raspredelennye-sistemy-kratkoe-vvedenie(22.10.2021)

Дудин, М.Н. Исследование систем управления (третье покаление-бакалавриат): Учебное пособие / М.Н. Дудин. - М.: Элит, 2014. - 276 c. (12.10.2021)

http://kazanets.narod.ru/DCSIntro.htm(9.10.2021)

http://electricalschool.info/spravochnik/1999-chto-takoe-programmiruemyy-logicheskiy-kontroller.html(7.10.2021)

http://kazanets.narod.ru/PLC_PART1.htm(10.10.2021)

Код для цитирования: Скопировать