Обоснование темы и ее актуальность

В последние три года наблюдается оживление рынка систем промышленной автоматизации как на Украине, так и за границей. Основные производственные фонды украинских предприятий требуют модернизации, которая стимулирует развитие рынка автоматизированных систем контроля технологическими процессами (АСУ ТП).

В промышленных сетях применяются десятки коммуникационных технологий и протоколов. Они позволяют создавать распределенные системы, которые объединяют разные сенсоры, контроллеры и исполнительные устройства. Подключение этих устройств к сетям обычно осуществляется с помощью сложных специализированных протоколов: Profibus, FIP, ControlNet, Interbus-S, DeviceNet, P-NET, WorldFIP, LongWork ли Modbus Plus. Протоколы разработаны с учетом особенностей производства и технических систем, обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления. Оборудование, для которого они предназначены, должно надежно работать при высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации химически активной среды. Тем временем кроме надежности функционирования все более важными требованиями в системах АСУ ТП становятся функциональные возможности, простота инсталляции и обслуживания, приспсобленность к специфическим условиям, соответствие общепринятым стандартам.

Несмотря на попытки стандартизации, производители продолжают развивать разные технологии, шинные интерфейсы, архитектуры контроллеров, операционные системы реального времени, протоколы, языки программирования и продвигать собственные сетевые решения для связи оборудования контроля и управления производственными процессами.

Развитие микропроцессорной технологии оказывало воздействие к переходу к архитектуре распределенных систем: функции автоматизации все чаще начали реализовываться вне блока центрального процессора — в датчиках, агрегатах и исполнительных механизмах. Простые сенсоры стали превращаться в коммуникационные устройства. «Интеллектуализация» периферийного технологического оснащения и появление цифровых интерфейсов породили потребность в новых видах коммуникаций.

Включение в сеть промышленных устройств — процесс во многом более сложный, чем объединение в сети ПК и телекоммуникационных устройств. Наличие многочисленных несовместимых реализаций в области промышленных сетей усложняет интеграцию в единую систему компонентов разных производителей и препятствует широкому распространению интеллектуальных устройств. Уже почти два десятка лет дляться попытки разработки стандарта в области цифровых коммуникаций для систем автоматизации, чтобы отойти от закрытых решений.

Такие большие сроки вызваны особенностями данной области. Сфера технологий промышленной связи в значительной мере фрагментирована, прежде всего, вследствие разнообразия областей применения. Это автоматизация в разных областях промышленности, интеллектуальные дома, разные технические системы (например, автомобильная и авиакосмической области) — везде необходим некоторый физический способ объединения промышленных или бортовых компьютеров, контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов, оборудование ввода/вывода, которые связывают и другиõ устройств.

Одной из важных проблем, которые решаются в процессе создания современных систем автоматизации технологических процессов- выбор технических, программных и инструментальных средств для реализации алгоритмов контроля и управления. Успех программно-технических комплексов разной архитектуры на рынке средств промышленной автоматизации, с одной стороны, предоставляет широкие возможности для создания высококачественных АСУ ТП, с другой стороны, требует обоснованного и тщательного подхода к принятию технических решений по составу аппаратуры и программного обеспечения. Естественным и главным руководством при выборе технических решений есть оптимизация соотношения "цена / качество". Дополнительным фактором как правило служит стремления пользователя (заказчика) к тому, чтобы любой модернизации созданной "под ключ" системы в процессе ее дальнейшей эксплуатации можно было осуществлять собственными силами.

Обзор состояния исследований

В настоящее время в Мире, для решения проблем автоматизации, предлагаються различные системы связи между датчиками, исполнительными механизмами и оператором. Системы связи представляют собой промышленные сети. Взаимодействие устройств по данным сетям осуществляется по определенным протоколам. Сравнение характеристик протоколов представленно в таблице.

В приведенной выше таблице представленно множество протоколов. Однако среди данного множества выделяют протоколы различных уровней, рисунок.

На данном рисунке представленна типичная структура системы оперативного управления на основе открытых технологий коммуникации. В системе различают следующие уровни:

- уровень предприятия; на данном уровне находятся стандартные ПК, за которыми могут находиться главные технологи, отслеживающие какие-либо процессы в цеху;

- уровень цеха; на данном уровне располагаются промышленные компьютеры на которых установлены операционные системы реального времени. Данные компьютеры принимают информацию с нижнего уровня (датчиков), сразу обрабатывают и высылают сигналы управления на исполнительные механизмы. Если необходимо, то часть информации передается на уровень предприятия;

- уровень периферийного оборудования; расположены датчики, снимающие показания с цехового оборудования и исполнительные устройства, заставляющие цеховое оборудование сменить режим работы.

На каждом из этих уровней обмен информацией между элементами системы осуществляется по определенным (стандартным) протоколам. Для решения задач автоматизации технологического процесса, в принципе, можно применить различные комбинации протоколов. Однако, каждый протокол обладает своими характеристиками.

Перечень нерешенных вопросов

Как уже упоминалось ранее, в Мире существует большое разнообразие протоколов для решения всевозможных задач автоматизации. Все протоколы нашли применение, однако в странах СНГ не многие предприятия могут позволить себе внедрение таких систем контроля и управления по причине их высокой стоимости. Ниже представлен рисунок отображающий места основных видов протоколов от цены и их возможностей.

Рисунок 1. Возможности протоколов

Как видно из рисунка протокол Profibus занимает центральное место. По этой причине он был выбран мной для решения задачи автоматизации предприятия. При использовании данного протокола цена одного места (контроллер с сетевыми картами, устройством ввода-вывода, индикатором, блоком питания составил около 3000 евро). Цена колеблется, в зависимости от производителя оборудования. Кроме ценовых недостатков до некоторого времени существовали проблемы с передаваемой информацией- невысокая приспособленность к передаче различного вида трафика данных. Еще одним недостатком является недостаточное количество информации о каждом виде протокола, его возможностях, примерах построения систем автоматизации с его использованием.

Протокол Profibus

Существует несколько разнообразных протоколов Profibus: FMS, DP, PA. Каждый назначается для своей задачи: -FMS- для передачи больших объемов информации; -DP- для решения задач реального времени; -PA- для опасного производства. За задачей требуется передача данных в реальном времени. Поэтому рассмотрим протокол PROFIBUS-DP.

Протокол PROFIBUS-DP предназначен для высокоскоростной передачи данных. На этом уровне контроллеры, например программируемые логические контроллеры (PLC), обмениваются данными со своими периферийными устройствами через быструю последовательную связь. Обмен данными с этими распределенными устройствами происходит в основном циклически. Центральный контроллер (ведущее устройство) считывает входные данные из известного устройства и посылает назад известному устройству исходные данные. Важно то, что цикл шины короче программного цикла контроллера, который в большинстве прибавлений равняется приблизительно 10 мс.

Взаимодействия: - точка-точка (передача пользовательских данных) или многоточка (синхронизация); - периодическая передача пользовательских данных между ведущим и ведомым устройствами и непериодической передачей данных между ведущими устройствами.

Режимы:

- работа: периодическая передача входных и выходных данных;

- сбрасывание: входные данные считываются, а исходные сбрасываются;

- останов: возможные только функции главный-ведущий;

- синхронизация входных и/или исходящих данных всех известных DP-устройств;

- Sync-Режим: синхронизируются все выходные данные;

- Freeze-Режим: синхронизируются все вступительные данные;

Функциональные возможности:

- циклические передачи пользовательских данных между ведущими DP-устройствами или ведомыми DP-устройствами;

- циклические передачи пользовательских данных между ведущими DP-устройствами или ведомыми DP-устройствами;

- проверка конфигурации известных DP-устройств;

- мощные диагностические возможности, 3 иерархических уровня диагностических сообщений;

- синхронизация входных и/или исходных данных;

- присвоение адресов через шину ведомыми DP-устройствами;

- максимум 246 байтов входных и исходящих данных на ведомыми DP-устройство, около 32 байт;

Механизмы защиты:

- все Сообщения передаются с хеммінговим відстанем HD=4;

- сторожевые таймеры в DP - устройствах;

- защита доступа к входящей/исходящей информации в известных DP-устройствах;

- отслеживание передач данных с использованием таймера, который настраивается, в ведущем DP-устройстве (DPM1);

Типы устройств:

- ведущее DP-устройство класса 2 (DPM2), например прибор программирующий/конфигурирующее устройство;

- ведущее DP-устройство класса 1 (DPM1), например центральный контроллер, такой, как PLC, CNC, RC; - известное DP-устройство, например устройство двоичного или аналогового вывода;

- установка и соединение кабелем: подключение отсоединение станций без влияния на другие станции;

- надежность и простота управления двухпроводной техникой передачи;

Основные характеристики.

Для успешного использования шинной системы одной высокой пропускной способности недостаточно. Для удовлетворения потребностей пользователей необходимо, простая установка и обслуживание, возможности диагностики и безошибочная передача данных. Протокол PROFIBUS-DP оптимальным образом удовлетворяет всем этим требованиям. Производительность: Передача 512 бит входными и исходными данных, распределенных между 32 станциями, занимает в шине PROFIBUS-DP приблизительно 6 мс. Этого довольно для удовлетворения требования небольшого времени реакции системы. Значительное увеличение скорости в сравнении с шиной PROFIBUS-FMS происходит в основном благодаря использовании функции SRD (Send and Receive Data - Послать и Получить Данные) уровня 2. Эта функция позволяет передавать входные и выходные данные в одном цикле сообщений. Кроме того, производительность повышается благодаря увеличению скорости передачи до 1,5 Мбит/с и установленные требования специфицируются для новых разработок по производительности.

Конфигурации системы и типы устройств.

Стандарт PROFIBUS-DP позволяет создавать системы с одним или несколькими ведущими устройствами. Это дает чрезвычайную гибкость при конфигурировании системы. До одной шины можно подключать до 126 станций (ведущих и ведомымых). Описание конфигурации системы состоит из количества станций, соответствия между адресом станции и адресом В/В, последовательности данных, формата диагностических сообщений и параметров шины. Каждая система PROFIBUS-DP содержит устройства разных типов. В зависимости от конкретного прибавления они подразделяются на три основных типа: Ведущее DP-устройство класса 1 (DPM1). Это центральный контроллер, который обменивается информацией с децентрализованными станциями (ведомыми DP-устройгтвами) в некотором определенном цикле сообщений. Типичными устройствами этого типа являются Программируемые Контроллеры (PLC), числовые контроллеры (CMC) или контроллеры роботов (RC). Ведущее DP-устройство класса 2 (DPM2) Устройство этого типа предназначено для программирования, конфигурирования или диагностики. Они используются в период подготовки системы и задача ее конфигурации. Известное DP-устройство А Известное DP-устройство - это периферийное устройство (датчик/привод), собирает входную информацию и выдает на периферийное устройство исходные данные. Возможны также такие устройства, которые работают только с входными или только с выходными данными. Типичными известными DP-устройствами являются устройства с двоичным вводом выводом 24 В ли 230 В, аналоговым вводом, аналоговым выводом, счетчики и т.п. Количество входных и выходных данных не зависит от устройства и ограничивается 246 байтами. Много доступных в данное время ведомые DP-устройства имеют только 32 входных и 32 выходных байта данных. В большинстве случаев эта граница определяется задачами конкретной реализации. В системах с одним ведущим устройством на протяжении рабочей фазы активно только одно ведущее устройство. Ведущим устройством процесса есть Программируемый Логический Контроллер (PLC). PLC соединяется через шину с распределенными ведомыми DP-устройствами. Эта конфигурация дает самый короткий цикл шины. В системах с несколькими ведущими устройствами на шине активно несколько ведущих DP-устройств. Они работают или как независимые системы, любая из которых состоит из одного ведущего и относящихся к нему известных устройств, или как дополнительные конфигурирующие диагностические устройства. Любой ведущее устройство может читать входные или исходные образы. Записывать данные в известное DP-устройство может только одно ведущее устройство (которое задается при конфигурировании). Цикл шины в системах с несколькими ведущими устройствами большее, чем в системах с одним ведущим устройством.

Рисунок 2 - Состав устройств сети Profibus

Работа системы: В спецификацию PROFIBUS-DP включается подробное описание работы системы. При этом основное внимание отводится взаимодействиям устройств. Основное влияние на работу системы делает состояние DPM1. Этим состоянием можно руководить локально с помощью конфигурирующего устройства. Состояния обычно бывают следующими: ОСТАНОВ В этом состоянии между DPM1 и известными DP-устройствами никаких данных не передается. СБРАСЫВАНИЕ DPM1 считывает входную информацию из известного DP-устройства и поддерживает свои выходы в состоянии защиты от сбоев. РАБОТА DPM1 находится в состоянии передачи данных. В последовательности циклических сообщений из известных DP-устройств считывается входная информация, а исходная информация в них записывается.Устройство типа DPM1 на протяжении интервала времени, настраиваются, передает свой локальный статус всем предназначенным для работы с ним DP-устройствам. Для этого оно использует групповую команду. Реакция системы на неисправность, которая возникла во время фазы передачи данных, например сбой DP-устройства, определяется конфигурационным параметром DPM1-устройства - "Авто-Сбрасывание" ("Auto-Clear"). Если параметр "Авто-Сбрасывание" находится в состоянии "истина", DPM1 переключает выходы всех предназначенных для работы с ним известных DP-устройств в состояние защиты от сбоев, который означает, что они не могут передавать недостоверные данные. После этого DPM1 переходит в состояние СБРАСЫВАНИЯ (CLEAR). Если параметр "Авто-Сбрасывание" находится в состоянии "неправда", DPM1, в случае неисправности известного DP-устройства, остается в состоянии РОБОТА (OPERATE). Пользователь может задавать реакцию системы.

Рисунок 3 Структура кадра

На рисунке: Tbit- 1/частоту; SD- начальный ограничитель; LE- длина данных процесса; DA- адреса назначения; SA- адрес источника; FC- тип данных; Data Unit- процессные данные; FCS- проверочная последовательность; ED- конечный ограничитель; SB- начальный ограничитель; PB- бит паритета; EB- стоп бит.

Цель и задачи моего исследования

В своем исследовании я предполагаю изучение решений автоматизации в области промышленности. Исследование связей распределенного технологического оборудования с человеком посредствам сетей. Сравнение существующих решений, рассмотрение требований к общей среде передачи, и к ее составляющим.

Научная новизна роботы

Как известно, на многих промышленных предприятиях Украины, на производственном уровне в настоящее время доминирует "лоскутная", "островная" автоматизация. Здесь отсутствует единая информационная среда, которая смогла бы стать основой системы оперативного учета и управления ресурсами производства на уровне участка, цеха, да и предприятия в целом. В то время как на административно-хозяйственном уровне в рамках ERP-системы осуществляется учет каждой финансовой операции и каждого документа, на уровне производства подобного детального контроля не обеспечивается. Но именно на этом уровне рождается прибавочная стоимость, осуществляются основные затраты и скрыты главные источники экономии, обеспечивается производственный план и требуемое качество продукции, а также работают многие другие факторы, определяющие эффективность и рентабельность предприятия в целом. Таким образом, из контура автоматизированного контроля и управления предприятием выпадает основное звено - Производственный блок. Производство в этом случае представляет собой непрозрачный (с точки зрения контроля и мониторинга, а значит и управления) "черный ящик". Его внутренние процессы информационно и логически не взаимосвязаны и не синхронизированы по времени с процессами административно-хозяйственной и финансовой деятельности предприятия в целом. Получается так, что применительно к Производству основная задача АСУП - своевременно обеспечить поставки сырья и комплектующих, задать производственный план, подготовить склад и отдел сбыта к отгрузке и затем пассивно ждать появления готовой продукции. Но плановые сроки срываются из-за не оперативности поступления информации с производства. Информация поступает раз в месяц или квартал. Нет возможности оперативно скорректировать план-график, если, например, главный конвейер встал на непредвиденный ремонт, прессовщик не вышел на работу и т.п. Дело в том, что для решения таких проблем необходима система оперативного управления производственными процессами с учетом фактической ситуации, которая в настоящих условиях подвержена значительным и быстрым изменениям. Без такой системы управлять производством приходится интуитивно и с помощью голоса на фоне большого числа текущих проблем.

Практическая ценность работы

В результате выполнения дипломного проекта предполагается написание программы приближенно отражающей процессы происходящие в сети. Данная программа будет написана на языке Delphi. При заданных начальных условиях и под влиянием помех (искусственно задаваемых пользователем) будет производиться моделирование. В результате моделирования будет представлен график отображающий все реакции сети на помехи и введенные начальные условия. Необходимо отметить, что для моделирования обычных (не промышленных) сетей существует множество различных пакетов, среди них Net Cracker. Его я использовал на начальном этапе проектирования промышленной сети для заданного объекта. Устройства промышленной сети я заменил устройствами локальной сети и задал некоторые параметры (удовлетворяющие некоторым требованиям промышленной сети). Полученные результаты можно сравнивать с результатами своей программы.

Выводы по работе

В результате проектирования были получены следующие результаты: Структура сети – рисунок

Рисунок 4- Схема сети

На верхнем уровне терминал оператора для контроля за сетью. На его ПК установлена одна из операционных систем: Windows NT, Linux и т.д. Средний уровень: магистрально-модульная систему , например на основе VME компьютеров. На VME может работать одна из ОС реального времени, например: OS-9, QNX, VRTX. Магистрально-модульная система соединяется с компьютерами верхнего уровня посредством сети офисного типа- Ethernet. Нижний уровень составляют микроконтроллерные устройства, обеспечивающие доступ к объектам управления . Микроконтроллерные устройства объединены между собой с помощью Fieldbus сети. С помощью этой же сети осуществляется связь между устройствами нижнего и среднего уровней системы управления. Скорость обмена на нижнем уровне 187,5 кбит/с. Все уровни связаны топологией- шина. По результатам предварительного моделирования сеть работоспособна.

Перспективы исследования

Следующим этапом в работе предполагается написание программы для более точного моделирования процессов в сети. Для этого необходимо более детальное изучение протокола обмена. Следующим этапом предполагается выбрать оборудование "удовлетворяющее" результатам моделирования, но с более низкой стоимостью.