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 и предприятия в целом. В то время как на административно-хозяйственном уровне осуществляется учет каждой финансовой операции и каждого документа, на уровне производства подобного детального контроля нет. 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 сложный, с точки зрения контроля и мониторинга, а значит и управления объект. Его внутренние процессы информационно и логически не взаимосвязаны и не синхронизированы по времени с процессами административно-хозяйственной деятельности предприятия в целом.
Для решения таких проблем необходима система оперативного управления производственными процессами с учетом фактической ситуации, которая в настоящих условиях подвержена значительным и быстрым изменениям.
В данной статье рассматриваются системы оперативного управления, построенные с применением технологий коммуникаций. Применение данных систем рассматривается применительно к цеху, производящему автомобильные покрышки. В данном цеху на момент начала внедрения автоматизированной системы контроля существовали отдельные приборы (установленные возле каждого пресса вулканизации) для отслеживания и влияния на технологический процесс производства. Для управления данными приборами необходимо было непосредственное вмешательство человека.
Соответственно для уменьшения влияния человеческого фактора на технологический процесс производства необходимо внедрение системы оперативного управления.
Для построения системы оперативного управления производством необходимо включение в технологический процесс дополнительных устройств- контроллеров, промышленных ПК и т.д. Для обмена информацией между данными устройствами должны быть применены сетевые решения.
Существует большое разнообразие промышленных сетей коммуникации. Каждая промышленная сеть имеет свое применение. В таблице 1 представлены открытые промышленные сети и предназначения данных сетей для решения задач оперативного управления.
Термин открытые сети означает, что оборудование для данного вида сетей выпускается несколькими производителями, использование данной технологии коммуникации не обязывает ее пользователя покупать различные лицензии и что самое важное, нет сложности в объединении данных сетей с другими видами сетей.
Типичная структура системы оперативного управления на основе открытых технологий коммуникации представлена на рисунке 1.
Рисунок 1- Уровни сети
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.
В основу построения системы оперативного управления положена сеть на базе протокола Profibus-DP. На рисунке 2 представлена обобщенная характеристика различных технологий с точки зрения их функциональности, сложности и стоимостных показателей.
Рисунок 2- Сравнение протоколов
Из рисунка видно, что данный протокол занимает центральное место по показателям (оптимальное соотношение приведенных показателей). Данный протокол предназначен для работы с датчиковыми сетями (уровень периферийного оборудования). В нем обеспечивается взаимодействие по схеме Master- Slave. Протокол позволяет организовать взаимодействие между устройствами на скорости 187,5 кбит/с при длине сети 500 м. Также данный протокол позволяет создавать системы с одним или несколькими ведущими устройствами.
На уровне периферийного оборудования 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 ведомого устройства и посылает обратно ведомому устройству выходные данные. Важно то, что цикл шины короче программного цикла контроллера, который в большинстве приложений равен примерно 10 мс.
Соответственно по своим характеристикам данный протокол обмена удовлетворяет требованиям задач реального времени.
Из этих соображений, в качестве протокола нижнего уровня был предложен протокол PROFIBUS-DP. Важным обстоятельством при построении подобных систем является расчет ( прогнозирование ) скорости обмена по сети. В проектируемой системе скорость обмена составляет 19200 бит/с.
Из анализа структуры цеха, следует применение в качестве физической среды обмена шинной топологии для нижнего уровня (уровень периферийного оборудования).
Затем был произведен выбор оборудования. При выборе преимущество отдавалось одной фирме, которая наиболее широко могла обеспечить сеть компонентами. Такая особенность выбора объясняется наилучшей приспособленностью аппаратуры связи различных уровней для взаимодействия ( уровень периферийного оборудования и уровень цеха ).
Затем полученная сеть подверглась моделированию в пакете Net Cracker. При заданной длине участков сетей, общая загрузка каналов составила 10-20%, что вполне приемлемо для шинной топологии.
Для оперативного управления технологическим процессом на шинном заводе предлагается следующая система (рисунок 3). На данном рисунке представлена система состоящая из трех уровней.
На уровне предприятия будут находятся стандартные ПК, под управлением операционной системы (Windows или Linux ). Также на данных ПК устанавливается специальный пакет LabView. Данный пакет представляет собой инструментальную среду разработки, включает в себя основные средства программирования и визуализации, компоненты обмена по сетям RS-232/485 и Ethernet. Связь данных ПК осуществляется по стандартной Ethernet сети со скоростью обмена 100 Мбит/с. Для связи со средним уровнем применяются сетевые карты, которые устанавливаются в промышленный ПК.
На среднем уровне или уровне цеха располагаются промышленные компьютеры на которых установлена операционные системы реального времени, например Integrity, QNX или VRTX. Для связи данных ПК с верхним и нижним уровнем в них установлены две сетевые карты с интерфейсами Ethernet и PROFIBUS-DP соответственно.
На уровне периферийного оборудования расположены микроконтроллеры, обеспечивающие взаимодействие датчиков со средним уровнем. Микроконтроллерные устройства объединены между собой с помощью Fieldbus сети. Физическая среда обмена- общая шина. Скорость обмена по данной сети составляет 187,5 кбит/с.
По результатам предварительного моделирования в пакете NetCracker сеть работоспособна.
Сайт www.siemens.com Profibus Products;
Каталог Холит Дэйта Системс - Контроллеры для систем сбора данных и АСУ ТП 2003 96 стр.;
Сайт www.OSP.RU :Издательство Открытые системы;
Сайт www.asutp.ru Промышленная автоматизация.