Структуры АСУТП

Введение

Архитектура АСУТП диктуется "сложностью" автоматизируемого производства. В простейшем случае АСУТП могут быть централизованными (сосредоточенными). При увеличении количества контролируемых параметров используется распределенная архитектура. При дальнейшем увеличении количества контролируемых параметров, а следовательно, датчиков, преобразователей, модулей ввода, модулей вывода, исполнительных устройств, а также компьютеров, отслеживающих состояние системы, становится целесообразно разделить АСУТП на уровни.

Централизованные (сосредоточенные) АСУТП

Основная отличительная особенность централизованной АСУТП: отслеживание состояния системы и отправка управляющих воздействий производится с использованием одного ПЛК или компьютера.

Централизованная АСУТП может рассматриваться, как частный случай распределенной системы.

Характеристики

• подключение устройств осуществляется по технологии "точка-точка";
• ограниченная надежность - центральный элемент системы - компьютер, в случае отказа которого система становится неуправляемой; дублирующих элементов, обычно не предусматривается;
• проста в обслуживании - сравнительно небольшое количество элементов АСУТП;
• защищенность - в системе может быть реализована защита от неквалифицированных пользователей;
• экономичность - система, как правило, реализуется в минимально необходимом и достаточном виде и не содержит большого количества элементов;
• ограниченная модифицируемость - количество элементов системы ограничено, для ее модификации могут потребоваться новые отсутствующие элементы;
• ограниченная функциональная расширяемость и наращиваемость - количество элементов системы ограничивается количеством разъемов и разветвителей, которые может поддерживать компьютер;
• минимальное время на монтаж и пусконаладку - простота системы обуславливается количеством ее элементов; в данном случае это количество минимально;
• относительная простота алгоритмов управления.

Типовые сферы применения

• домашняя автоматизация;
• испытательный стенд для тестирования серийной продукции;
• лабораторные работы в ВУЗах;
• локальное управление технологическим процессом;
• контроль температуры в теплице или элеваторе.

Распределенные АСУТП

Распределенные АСУТП состоят из множества территориально разнесенных ПЛК и модулей ввода-вывода. Каждый контроллер работает с определенной группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления и взаимодействует с остальными контроллерами на минимально необходимом уровне, достаточном для выполнения общей задачи.

Необходимость построения распределенных систем обуславливается ростом количества контролируемых параметров, увеличением территории, на которой должна функционировать АСУТП, а также усложнением алгоритмов управления.

Характеристики

• подключение устройств может осуществляться по технологиям "точка-точка" или "общая шина" в зависимости от количества контроллеров;
• большее быстродействие - задачи распределяются между параллельно работающими процессорами;
• повышенная надежность и устойчивость к сбоям - отказ одного из ПЛК не влияет на работу других;
• более простое наращивание и переконфигурирование системы;
• упрощенная процедура модернизации;
• простота проектирования, настройки, диагностики и обслуживания - архитектура распределенной системы обычно соответствует архитектуре объекта управления;
• улучшенная помехоустойчивость - устройства ввода в распределенной системе обычно размещяются в непосредственной близости от датчиков;
• пониженные требования к кабелю и его низкая стоимость, меньшие расходы на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства;
• меньшие требования, предъявляемые к ОС реального времени - на каждом ПЛК установлена отдельная ОС.

Многоуровневые АСУТП

Многоуровневая архитектура применяется в случаях, когда контроль за функционированием производства должен осуществляться несколькими ответственными лицами. Система в этом случае обычно делится на три уровня:

1. уровень датчиков и исполнительных устройств (нулевой уровень);
2. уровень технологического оборудования (первый уровень);
3. диспетчерский уровень (второй уровень).

Уровень датчиков и исполнительных устройств

Устройства подключаются к первому уровню через интерфейсы ASI, 1-Wire, CAN, HART и др. Интерфейсы аналогового уровня (4-20 мА, 0-5 В) считаются морально устаревшими. В настоящее время многие датчики содержат в своем составе встроенный микроконтроллер, выполняющий автоматическую калибровку и компенсацию нелинейностей датчика и цифровой интерфейс. При проектировании датчики выбираются таким образом, чтобы в них использовался одинаковый протокол обмена и физический интерфейс связи.

Уровень технологического оборудования

Уровень представлен ПЛК и модулями ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети типа Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus и т.п.

Диспетчерский уровень

Уровень представлен рабочими станциями с человеко-машинным интерфейсом (HMI), предоставляемым SCADA-системами.

Ссылки

1. Энциклопедия АСУ ТП
2. Особенности проектирования распределенных АСУ ТП

Литература

1. Operating Systems, 3/e - книга Дейтела и Дейтела "Операционные системы, 3-е издание"
2. Modern Operating Systems (4th Edition) - книга Таненбаума "Современные операционные системы (4-е издание).
3. Real-Time Systems Design and Analysis: Tools for the Practitioner - книга "Архитектура и анализ систем реального времени", авторы Лаплант и Оваска.