Комплексная автоматизация производства металлругической компании

1. Общие сведения
Данный документ содержит основные положения технической политики в области автоматизации производства, которые предлагается использовать в ходе модернизации существующих систем управления технологическими объектами. Конечной целью работы является создание общезаводской Системы диспетчерского управления и сбора данных (далее – «Система»).
Для обозначения сторон, участвующих в создании Системы, далее используются общепринятые термины: Заказчик (металлургический комбинат) и Подрядчик («РС Автоматизация»).
2. Назначение и цели создания Системы
2.1.Назначение Системы
Система предназначена для решения следующих задач:
•автоматизированное управление технологическими объектами, агрегатами, установками и т.п. по заданным алгоритмам и циклограммам;
•защита технологического оборудования от аварийных режимов;
•предоставление операторам и обслуживающему персоналу удобного и функционально наполненного интерфейса управления объектами;
•сбор и отображение данных реального времени для обеспечения всех сотрудников предприятия актуальной и достоверной информацией о текущем ходе технологического процесса в требуемом объеме и в соответствии с должностной компетенцией;
•централизованное накопление исторических данных о ходе технологического процесса, нештатных ситуациях и действиях оперативного персонала;
•представление текущих и исторических данных в удобном для анализа виде (таблицы, графики и т.п.) на экране рабочей станции либо в виде распечатки;
•предоставление сторонним (не входящим в Систему) приложениям доступа к ретроспективным данным Системы посредством стандартных технологий реляционных баз данных.

2.2.Цели создания Системы
Целями создания и внедрения Системы являются:
•минимизация незапланированных простоев технологического оборудования (как в режиме эксплуатации, так и в ходе монтажа, наладки и ремонта Системы);
•снижение вероятности аварий и несанкционированных остановов;
•снижение энергоемкости производства;
•повышение качества продукции;
•сокращение брака;
•снижение себестоимости продукции.
Для достижения перечисленных целей предлагается при создании системы руководствоваться следующими техническими и организационными принципами:
•максимальное использование типовых (стандартизованных, тиражируемых) технических решений;
•применение промышленных контроллеров, имеющих высокие, подтвержденные практикой, показатели надежности;
•использование распределенной архитектуры на базе специализированных промышленных сетей для построения функционально обособленных частей Системы;
•аппаратное резервирование устройств и коммуникационных сред для критически важных частей Системы;
•применение инструментальных средств программирования со стандартизованными и интуитивно понятными интерфейсами;
•максимально возможное (без ущерба для качества Системы) использование существующих у Заказчика коммуникационных сетей и оборудования КИП;
•максимальное привлечение персонала Заказчика к выполнению всех этапов работ по созданию Системы с целью постепенной и полной передачи всех знаний и технологий, необходимых для грамотной эксплуатации и дальнейшего развития Системы.
3. Архитектура Системы
Предлагается 5-уровневая модель системы (приложение 1)
1.Источники сигналов (КИП) и исполнительные механизмы
2.Контроллеры локальных систем управления
3.Оперативная SCADA-система, АРМ операторов
4.Промышленная база данных
5.АРМ наблюдателей, сторонние приложения
Уровни 1..2 составляют так называемый нижний уровень, уровни 3..5 – верхний уровень.
Уровни 1..3 работают в режиме реального времени и относятся к области АСУТП.
Уровни 4..5 относятся к области АСУП. База данных, условно отнесенная к области АСУП, на самом деле является пограничным элементом, разделяющим области АСУТП и АСУП, то есть области систем реального времени и систем общего назначения.
3.1.Уровень 1: источники сигналов (КИП) и исполнительные механизмы
Уровень 1 включает в себя:
А) источники сигналов:
•источники дискретных сигналов: блок-контакты коммутационной аппаратуры, конечные выключатели, бесконтактные датчики положения (проксимиторы), сигнализаторы граничных значений аналоговых величин (типа электроконтактных манометров), обычные контактные органы управления (кнопки, переключатели, командоаппараты и т.п.) и пр.;
•источники стандартных аналоговых сигналов: датчики давлений, температур (термопары и термосопротивления), потенциометрические датчики и органы управления и т.п.;
•прочие источники аналоговых сигналов с собственными нормирующими преобразователями, имеющими на выходе стандартный сигнал (4..20 мА, 0..5 мА, 0..10 В и т.д.);
•источники импульсных сигналов: индуктивные датчики скорости, инкрементальные датчики положения, счетчики и расходомеры с импульсным выходом и т.п.;
•источники цифровых сигналов: расходомеры-вычислители, встроенные устройства управления технологическим оборудованием, интеллектуальные датчики и прочие микропроцессорные устройства;
•отдельные преобразователи-источники сигналов, в том числе устройства гальванической развязки, барьеры искробезопасности, преобразователи интерфейсов.
Б) приемники сигналов:
•дискретные исполнительные механизмы: катушки коммутационных аппаратов (контакторов, пускателей, выключателей), катушки клапанов, гидро- и пневмораспределителей, слаботочные входы встроенных устройств управления технологическим оборудованием;
•дискретные устройства индикации и предупреждения (сигнальные лампы, зуммеры, сирены и т.п.);
•аналоговые исполнительные механизмы: регулирующие клапаны, регулируемые электропривода, нагреватели с аналоговым управлением и т.п.;
•встроенные устройства управления технологическим оборудованием с цифровыми интерфейсами;
•преобразователи-приемники сигналов, в том числе устройства гальванической развязки, барьеры искробезопасности, преобразователи интерфейсов.
Предполагается, что уровень 1 целиком находится в компетенции Заказчика, который самостоятельно определяет необходимость модернизации оборудования КИП и исполнительных механизмов, исходя из потребностей технологии, а также принимает соответствующие технические решения и производит выбор необходимого оборудования.
Подрядчик может выбрать и поставить оборудование уровня 1 по запросу Заказчика и на основании предоставляемого Заказчиком перечня исходных требований к оборудованию.
Технические средства, необходимые для стыковки уровня 1 с уровнем 2, выбираются Подрядчиком на основании списков сигналов по каждой подсистеме. Списки сигналов формируются в ходе предпроектного обследования и утверждаются Заказчиком.
3.2.Уровень 2: контроллеры локальных систем управления
Локальные системы управления непосредственно взаимодействуют с технологическим объектом управления (ТОУ). Их основная задача – управление ТОУ в соответствии с полученными командами и заданиями, по заданным алгоритмам и циклограммам, а также защита ТОУ от нештатных и потенциально опасных режимов работы. Вспомогательные задачи – взаимодействие с АРМ и предварительная обработка данных для передачи на верхний уровень.
Для реализации уровня 2 предлагается использовать универсальные ПЛК фирмы Siemens(Schneider Electric). Линейка контроллеров этой фирмы содержит ряд моделей, различающихся по количеству обслуживаемых входов/выходов, объему памяти, быстродействию, коммуникационным средствам и возможностям резервирования. Далее перечислены ключевые свойства контроллеров Siemens (Schneider Electric)., позволяющие рекомендовать их как базовые средства для построения описываемой системы:
•все типы контроллеров, за исключением некоторых («младших») моделей, имеют модульные конструкции, позволяющие создавать оптимальные конфигурации;
•ассортимент устройств ввода/вывода позволяет работать со всеми типами сигналов, применяемых в промышленных системах автоматизации;
•все семейства контроллеров имеют развитые коммуникационные возможности как для информационных приложений (на базе сетей нескольких типов, включая Ethernet), так и для построения распределенных управляющих систем реального времени (на базе специализированных сетей, с гарантированной доставкой данных). Все контроллеры (процессоры) обязательно имеют порт RS-232, предназначенный для подключения устройства программирования (стандартный ПК) или для обмена данными (со SCADA-системой, пультом оператора Magelis и т.п.);
•все коммуникационные каналы построены на базе открытых стандартов, которые поддерживаются ведущими производителями ПО для промышленной автоматизации (WinCC, Wonderware, Citect и др.).
При построении уровня локальных систем управления возможен выбор оптимальной архитектуры и аппаратной базы в каждом конкретном случае:
•«Замена блоков релейной автоматики» - для модернизации небольших объектов, с простыми алгоритмами управления, ориентированными на дискретную логику, с малым количеством аналоговых сигналов либо вообще без них. Типичные примеры: автоматические насосные и распределительные пункты систем водоснабжения и канализации, автоматизированные рельсовые тележки для перевозки рулонов и т.п. Для решения подобных задач с минимальными затратами предназначены контроллеры Simatic(Siemens), либо Premium(Schneider Electric).
•«Централизованная обработка + централизованный ввод/вывод» – для ТОУ с явно выраженной концентрацией сигналов в одной точке. Типичный пример – замена устаревших контроллеров при использовании существующей кабельной разводки через общий кросс-шкаф. В качестве контроллера рекомендуется использовать Simatic.
•«Централизованная обработка + распределенный ввод/вывод» – для больших ТОУ, имеющих несколько естественных центров сборки сигналов. Типичный пример – система управления технологической линией большой протяженности, с несколькими крупными (в плане количества управляющих сигналов) технологическими узлами, связанными единым технологическим циклом. В качестве контроллера рекомендуется использовать Simatic, в качестве устройств ввода/вывода – линейки модулей серии ET200M, либо шасси Simatic. В качестве сети ввода/вывода может использоваться одна из промышленных сетей (Profibus, DeviceNet, RIO), выбор типа сети будет зависеть от протяженности объекта, а также требований по скорости и надежности.
•«Распределенная обработка + распределенный ввод/вывод + Координатор» – аналогично предыдущему, но при наличии задач управления и обработки сигналов в местах их естественной концентрации. Типичный пример – участок отжига с большим количеством сравнительно однотипных печей. В качестве местных контроллеров рекомендуется использовать SLC или FlexLogix, в качестве Координатора – Simatic. (Примечание: Координатор необходим только в том случае, если наряду с местными задачами присутствует некая групповая задача – главный регулятор, оптимизатор, планировщик заданий и т.п. Во многих случаях координатор отсутствует).
Архитектура системы для конкретного ТОУ может являться комбинацией вышеперечисленных вариантов. В каждом случае техническое решение будет приниматься на этапе обследования
3.3.Уровень 3: Оперативная SCADA-система, АРМ операторов
SCADA-система выполняет две основные функции:
•получение из контроллера (контроллеров) данных о состоянии ТОУ, их обработка, визуализация и передача «вверх» (в базу данных, другим приложениям и т.д.);
•взаимодействие с человеком, восприятие команд и параметров с последующей передачей их «вниз» (контроллерам)
Программные продукты для построения SCADA-систем от разных производителей имеют различные наборы функций, но две вышеперечисленные являются определяющими: от их корректности и производительности зависит «живучесть» Системы, а эффективность средств разработки для реализации указанных функций в конечном счете определяет стоимость проекта и срок внедрения Системы. Исходя из опыта внедрения крупных систем, мы рекомендуем использовать программное обеспечение одного из следующих производителей:
•Wonderware (далее – WW), SCADA-система InTouch;
•Siemens WinCC(далее – WinCC), SCADA-система WinCC.
Программные продукты обеих компаний имеют примерно одинаковые наборы функциональных возможностей и сопоставимые уровни цен. Для обоих семейств продуктов у Подрядчика имеются собственные программные средства, повышающие эффективность разработки приложений.
Учитывая опыт реализованных Подрядчиком проектов, можно выделить некоторые принципиальные особенности продуктов WW и WinCC, которые могут повлиять на выбор:
•все продукты WinCC «умеют» общаться с контроллерами Simatic посредством т.н. «прямых драйверов», которые работают быстрее, чем стандартные протоколы (OPC или DDE). Поэтому в некоторых случаях применение продуктов WinCC предпочтительнее по соображениям производительности;
•WW использует во всех продуктах свой фирменный протокол SuiteLink, который работает поверх стандартного TCP/IP. Благодаря SuiteLink все программные продукты WW очень легко взаимодействуют друг с другом, даже находясь на разных машинах (при наличии сети TCP/IP), что позволяет строить очень «красивые» и эффективные системы.

Принимая во внимание особенности описываемой Системы, предлагается реализовать верхний уровень Системы на базе программных продуктов компании Wonderware.
АРМ операторов представляют собой PC-совместимые ПК под управлением ОС Windows 2000. Возможно применение ПК обычного (офисного) исполнения, если условия на рабочем месте оператора позволяют это, либо промышленного ПК. Вариант исполнения и степень защиты ПК, монитора и прочего компьютерного оборудования согласуется на этапах обследования и разработки ТЗ.
ПК, на котором установлена SCADA-система, должен быть связан с контроллерами посредством одной из промышленных сетей (см. п. 3.2) или сети Ethernet, с учетом замечаний, изложенных в п.3.6.
Перечни видеокадров для каждого АРМ, эскизы видеокадров и необходимые объемы функциональности АРМ должны быть определены на стадии составления ТЗ и утверждены Заказчиком в качестве приложения к ТЗ.
3.4.Уровень 4: Промышленная база данных
База данных является центральным хранилищем Системы, куда собирается информация о состоянии технологического процесса, режимах работы локальных систем управления, действиях операторов и событиях в Системе. Теоретически возможно использование для этой цели любого существующего сервера базы данных, уже применяемого для решения других информационных задач предприятия. Однако необходимо принимать во внимание особенности потока данных АСУТП:
•требования реального времени;
•высокая интенсивность элементарных транзакций малого объема;
•большой объем информации при использовании стандартных форматов хранения данных.
При совмещении сервера промышленной базы данных с сервером данных общего назначения возможны проблемы с производительностью, поскольку эти две задачи требуют принципиально разных методов оптимизации. Поэтому предлагается организовать промышленную базу данных на основе ПО WW IndustrialSQL Server, которое представляет собой расширение к Microsoft SQL Server 2000, позволяющее регистрировать данные с гораздо большей скоростью и требующее для их хранения намного меньших объемов.
IndustrialSQL Server получает данные с локальных SCADA-систем средствами служб IDAS (Remote IndustrialSQL Data Acquisition Service), размещает их на физических носителях и предоставляет другим приложениям по запросу.
При отсутствии связи с сервером базы данных IDAS позволяет накапливать данные на локальных машинах. При восстановлении связи эти данные передаются серверу. Такой механизм гарантирует непрерывность данных АСУТП независимо от работоспособности сервера и коммуникационной среды, поэтому требования к надежности сервера определяются только необходимой оперативностью предоставления данных другим приложениям. Как правило, достаточно резервировать дисковое пространство сервера (аппаратное или программное «зеркалирование»).
3.5.АРМ наблюдателей, сторонние приложения
Под наблюдателями в данном случае понимаются должностные лица, которым необходим постоянный доступ к информации о состоянии технологического процесса без непосредственного управления технологическим оборудованием (руководители служб, подразделений, администрация предприятия и т.п.). При организации АРМ наблюдателей возможны два принципиально разных подхода:
•отображение производственной информации в реальном времени, с использованием таких же средств представления данных, как и на АРМ операторов и диспетчеров;
•отображение данных о состоянии технологического процесса в разрезе аналитики, с использованием таблиц, графиков и т.п.
Для реализации первого подхода существует специализированный программный продукт Wonderware FactoryFocus, представляющий собой облегченную (и удешевленную) версию среды исполнения SCADA-системы InTouch только для визуализации (без возможности записи переменных, т.е. без управления, но с сохранением абсолютно всех остальных возможностей).
Второй подход предполагает использование информации только из промышленной базы данных. Это не позволяет отображать в чистом виде информацию реального времени, так как задержка не определена (типичное время – единицы минут), но зато дает возможность применять механизмы выборки, фильтрации и анализа данных. Подобные приложения могут создаваться любыми средствами разработки (Delphi, Visual Basic, MS Access и др.), которые имеют механизмы доступа к реляционным базам данных. Частным случаем являются приложения для печати отчетов.
Примечание: как правило, в некотором объеме приложения печати отчетов устанавливаются и на АРМ операторов и диспетчеров. У Подрядчика имеется собственный программный продукт SG-Historian, который встраивается в SCADA-системы как компонент ActiveX.
Сторонними приложениями называются программные продукты, не входящие в Систему, но использующие информацию о состоянии технологического процесса, имеющуюся в Системе. В эту категорию входят учетные, складские, бухгалтерские программы, ERP-системы и т.п. Как правило, необходимая информация извлекается из промышленной базы данных.
Список АРМ наблюдателей, а также перечни видеокадров для каждого АРМ, эскизы видеокадров и необходимые объемы функциональности АРМ должны быть определены на стадии составления ТЗ и утверждены Заказчиком в качестве приложения к ТЗ.
3.6. Коммуникационная среда
В пределах уровня 2 можно выделить три принципиально разных потока данных:
•данные распределенного ввода/вывода;
•данные взаимодействия контроллеров между собой (если в локальной системе управления более одного контроллера);
•данные взаимодействия контроллеров со SCADA-системой и другими элементами интерфейса оператора.
В пределах уровней 3..5 можно выделить еще несколько разных потоков данных:
•данные взаимодействий «клиент – сервер»;
•данные обмена SCADA-систем с базой данных;
•данные взаимодействия Системы со сторонними приложениями.
Эти потоки очень сильно различаются по:
•статистическим свойствам;
•объемам передаваемых данных;
•требованиям к времени доставки;
•требованиям к гарантии доставки;
•реакции ТОУ и элементов Системы на временное отсутствие связи.
В случае использования одного канала для всех потоков (сеть Ethernet) время доставки может меняться в широких пределах в зависимости от общей загрузки сети, что может оказаться неприемлемым для данных уровня 2. Поэтому для передачи данных нижнего уровня должны использоваться отдельные сегменты сети (специализированная промышленная сеть либо Ethernet), а для данных верхнего уровня может использоваться сеть предприятия.
Конкретные рекомендации по коммуникационной среде будут выработаны на этапе обследования.
4. Виды работ
Подрядчик выполняет следующие работы.
•Предпроектное обследование.
•Разработка ТЗ.
•Техническое проектирование.
•Рабочее проектирование, разработка ПО системы.
•Комплектация и сборка оборудования Системы.
•Шеф-монтаж оборудования Системы на объекте.
•Пуско-наладка.
Некоторые этапы работ могут быть по согласованию Заказчика и Подрядчика выполнены совместно.
5. Оценка стоимости Системы
Предварительная оценка стоимости оборудования и работ может быть произведена на основании следующих исходных данных.
•Список позиций КИП, подлежащих поставке в составе Системы.
•Список локальных систем управления (уровень 2), подлежащих поставке в составе Системы.
•Данные по количествам сигналов всех типов по каждой из локальных систем управления (дискретные входы, дискретные выходы, аналоговые входы, аналоговые выходы и т.д.).
•Список АРМ операторов по каждой из локальных систем управления с предварительным указанием количества параметров каждого типа (аналоговые и дискретные), которые должны обрабатываться SCADA-системой.
•Список АРМ наблюдателей с предварительным указанием количества параметров каждого типа (аналоговые и дискретные).
•Список отчетов, которые должны формироваться Системой, с предварительным указанием количества параметров, выводимых в отчет.

6. Наши координаты
«РС Автоматизация»
121357, Москва, ул. Верейская, дом 29.
Бизнес-центр «Верейская Плаза», офис 43.
Тел.: (495) 589 – 24 - 14
Факс: (495) 589 – 24 - 13
http: //www.rsautomation.ru
Руководитель технического департамента
Игнатьев Сергей Владимирович.
E-mail: Ignatiev@auto.rsys.ru