Что такое (РСУ) DCS

Распределённая система управления (РСУ) (англ. Distributed Control System, DCS)

РСУ (DCS) – наиболее комплексный и, возможно, самый интересный класс АСУ ТП. РСУ, как правило, применяются для управления непрерывными технологическими процессами (хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена).

К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом останов процесса, даже кратковременный, недопустим. Классическим примером непрерывного процесса является изготовление стекла в стекловаренной печи. Если печь остановить, то расплавленная стекломасса очень быстро затвердеет и разрушит внутреннюю кладку. Печь выйдет из строя, и ее придется фактически строить заново. То есть, под непрерывными процессами подразумеваются те, останов которых может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке технологического оборудования и даже несчастным случаям, а также те, возобновление которых после останова связано с большими издержками. Это сильно отличается от конвейера (применение систем PLC), который можно остановить и запустить заново достаточно быстро, при этом без каких-либо глобальных затрат.

Сферы применения РСУ бесчисленны:

1. Химия и нефтехимия;
2. Нефтепереработка и нефтедобыча;
3. Стекольная промышленность;
4. Пищевая промышленность: молочная, сахарная, пивная;
5. Газодобыча и газопереработка;
6. Металлургия;
7. Энергоснабжение и т.д.

Из вышесказанного вытекает главное требование к РСУ – отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно и останов технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость достигается путем резервирования (как правило, 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.

РСУ чрезвычайно функциональны и масштабируемы: на их базе автоматизируются технологические установки, производственные цехи, а иногда и целые заводы. Для характеристики масштаба РСУ часто используют специальный термин “количество параметров ввода/вывода”. Один параметр ввода/вывода – это либо сигнал измерения, получаемый с датчика (текущее давление пара в котле), либо управляющий сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (команда пуска насоса, например). Современные РСУ способны обрабатывать до 50000 параметров ввода/вывода, что соответствует большому химическому заводу.

Из этого следует еще два требования к РСУ:

1. Масштабируемость.
   Система 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 (цеха). Расширение системы должно по возможности проходить без остановки уже внедренных участков системы (расширение online). Это может звучать нереально, но именно такова цель настоящей РСУ.
2. Простота разработки и конфигурирования.
   Конфигурирование таких масштабных систем, как РСУ, – это тяжелый и долгий труд. Система должна предлагать инженерам целый набор предподготовленных программных компонентов и средств разработки. К ним относятся: пакеты визуального программирования, графические библиотеки, функциональные блоки, преднастроеные сетевые протоколы и интерфейсы. Вообще степень интеграция программных компонентов, входящих в состав РСУ, достаточно велика. Один из главных принципов построения РСУ – единая конфигурационная база системы. Изменения, выполненные в одном программной модуле системы, должны автоматически отражаться во всех зависимых модулях.

Из самого названия “распределенная система управления” становиться очевидным, что подобные системы могут охватывать множество территориально распределенных объектов. 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: всем известный Ethernet или, например, 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.

Типовая структура современной РСУ изображена на рисунке ниже.

Для большинства РСУ характерна трехуровневая модель построения.

На нижнем уровне, уровне ввода/вывода (IO Layer), располагаются полевые приборы (датчики, сенсоры, исполнительные механизмы), которые с помощью электрических кабелей подключаются к подсистеме полевого ввода/вывода (IO subsystem).

Электрический сигнал, поступающий с датчика, в подсистеме ввода/вывода интерпретируется как измерение определенной физической величины (температуры воды, например), потом сигнал оцифровывается (переводится из аналоговой формы в цифровую, двоичную). В цифровой форме сигнал передается по специальной шине в контроллер.

Подсистема ввода/вывода работает и в другом направлении. Получив от контроллера по той же шине управляющую команду, подсистема ввода/вывода переводит ее из цифровой формы в электрическую аналоговую. Сформированный электрический сигнал по кабелю подается на соответствующий исполнительный механизм.

На рисунке шина, связывающая подсистему ввода/вывода с контроллерами, резервирована (дублирована).

Подсистема ввода/вывода – состоит из аппаратных модулей ввода/вывода. Модули различаются по типу электрического сигнала (с помощью которого они взаимодействуют с полевыми приборами) и по направлению передачи сигнала. Если к модулю подключается датчик – то модуль осуществляет ввод сигнала в систему и называется модулем ввода; если подключается исполнительный механизм – то модуль выводит управляющее воздействие из системы и называется модулем вывода. Образно говоря, подсистема IO – это глаза и руки системы управления.

На среднем уровне находятся контроллеры (PLC) – условно говоря, мозги системы. Они представляют собой мощные вычислительные машины специального (промышленного исполнения). Их задача – обрабатывать поступающую из подсистемы ввода/вывода информацию и выдавать обратно управляющее воздействие. Эта обработка осуществляется в соответствие с заложенными алгоритмами управления и происходит циклически в среднем 10-20 раз в секунду. Для решения сложных задач контроллеры могут обмениваться между собой данными, используя цифровые коммуникационные сети (в нашем случае, Industrial Ethernet).

Контроллеры РСУ могут различаться по производительности, функционалу и архитектуре, хотя существуют и общие требования. Одно из них – возможность менять алгоритмы управления на “лету” (online changes), то есть без остановки процесса управления. Другое важное требование – возможность полного резервирования модулей, в том числе и питания (резервированные контроллеры были изображены на рисунке). Пара контроллеров, синхронно выполняющих одну и ту же программу управления и страхующих друг друга, называется “резервированной парой”.

Верхний уровень – это уровень операторского управления, объединяющий серверы и операторские рабочие станции. Выделенный сервер (на рисунке резервирован) поддерживает коммуникацию с подключенными к нему контроллерами и копит внутри себя архив технологических параметров.

Операторские станции OS (operator station) представляют собой персональные компьютеры. В рамках клиент-серверной архитектуры они ведут обмен данными с сервером, а не напрямую с контроллером. При этом операторских станций может быть несколько десятков.

Операторская станция служит для отображения технологической информации в виде интерактивных графических мнемосхем, а также для эффективного управления процессом. На мнемосхемах показывается исчерпывающая информация: 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 изменить температурную уставку.

На рисунке ниже пример мнемосхемы оператора.

Часто в системе выделяют инженерную станцию ES (engineering station). На ней устанавливаются программные средства разработки, с помощью которых технический специалист может централизованно вносить изменения и дополнения в конфигурацию системы. Часто ES дополняют расширенными средствами диагностики состояния системы. В отличие от OS, ES всегда имеет прямое подключение к контроллерам.

Источник: http://kazanets.narod.ru/DCSIntro.htm

Примеры наших работ в области АСУ ТП