Бейцун С.В. Конспект лекций по Основам компьютерно-интегрированного управления

Подождите немного. Документ загружается.

Центр обработки данных располагается в оперативной памяти для обеспечения наиболее

быстрого сохранения и извлечения данных.

Поддержка аппаратуры ввода/вывода

Драйверы ввода/вывода, входящие в комплект поставки GENIE, обеспечивают

поддержку всех аппаратных средства промышленной автоматизации фирмы Advantech,

включая модули сбора данных и управления, IBM PC совместимый модульный контроллер

MIC-2000, устройства удаленного сбора данных и управления серий ADAM-4000 и ADAM-

5000/485, а также устройства промышленной шины CAN с протоколом DeviceNet ADAM-

5000 /CAN.

Также включены возможности разработки драйверов для поддержки аппаратуры

других производителей.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОУЧЕТА

Доля промышленного потребления электроэнергии в отдельных регионах достигает

60-65%. Фактор высокой стоимости энергоресурсов обусловил кардинальное изменение

организации энергоучета в промышленности. Применявшийся ранее приборный энергоучет

(визуально-ручной съем измерительных данных и последующая ручная обработка) имеет ряд

существенных недостатков:

1. грубая аппроксимация реального процесса энергопотребления из-за фиксации только

итоговых накопленных результатов;

2. неполнота и фрагментарность энергоучета;

3. низкая точность и достоверность учета;

4. анахронизм учета, вызванный неодновременным характером съема показаний;

5. малая информативность и трудоемкость энергоучета.

Современный контроль энергоресурсов основывается на использовании

автоматизированного приборного энергоучета, сводящего к минимуму участие человека на

этапе измерения, сбора и обработки данных и обеспечивающего достоверный, точный и

оперативный учет по различным тарифным системам. С этой целью создают

автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов – АСКУЭ. В общем случае

АСКУЭ содержат три уровня:

а)tнижний уровень – первичные измерительные преобразователи (ПИП);

б)tсредний уровень – контроллеры со встроенным программным обеспечением энергоучета,

осуществляющие накопление, обработку и передачу этих данных на верхний уровень;

в)tверхний уровень – ПК со специализированным программным обеспечением АСКУЭ,

осуществляющий сбор информации со среднего уровня, итоговую обработку этой

информации, отображение и документирование данных учета в виде, удобном для анализа

и принятия решений (управления) операторами.

В зависимости от применяемых первичных преобразователей и ПК трехуровневая

схема АСКУЭ может быть трансформирована в двухуровневую (ПК выполняет роль

контроллеров).

Системы энергоучета принимают дистанционно-измерительную информацию от

первичных измерительных преобразователей (ПИП) нижнего уровня АСКУЭ,

установленных в определенных точках — точках учета (ТУ) — технологического процесса

потребления электроэнергии и энергоносителей разного вида (питьевая и техническая

холодная вода, горячая вода, пар, природный и технический газы, сжатый воздух,

нефтепродукты). Информация с выходов ПИП поступает на соответствующие входы

системы по измерительным каналам в виде дискретных (импульсных) или аналоговых

электрических сигналов.

Система энергоучета осуществляет измерения, накопления и расчеты данных учета,

во-первых, по своим измерительным входам Вх (каналам учета), во-вторых, по точкам учета

(ТУ) и, в-третьих, по группам учета (ГУ). Точка учета системы обычно включает от одного

до пяти измерительных входов. Группы учета представляют собою задаваемые

пользователем арифметические функции над данными каналов, которые объединяются в

группы с целью получения измерения-расчета по совокупности объектов учета, например, по

расходу тепла с теплофикационной водой по двум трубопроводам — прямому и обратному,

или расходу электроэнергии по группе фидеров, питающих завод, цех или участок.

Системы энергоучета классифицируются по следующим показателям: типу среды и

количеству каналов учета, назначению и типу измерительных входов, по возможностям

локального и дистанционного доступа к данным учета.

М а л о к а н а л ь н ы е

( 4 , 8 , 1 2 , 1 6 , 2 4 , 3 2 )

М н о г о к а н а л ь н ы е

( 4 8 , 9 6 , 1 2 8 , 2 5 6 )

Э л е к т р о э н е р г и я

1 - п о т о ч н ы е

2 - п о т о ч н ы е

М н о г о п о т о ч н ы е

( 3 , 4 , 5 )

Э н е р г о н о с и т е л и

П о т и п у с р е д ы и к о л и ч е с т в у к а н а л о в у ч е т а

Ф и к с и р о в а н н ы е

П р о г р а м м и р у е м ы е

И м п у л ь с н ы е

А н а л о г о в ы е

С м е ш а н н ы е

П о н а з н а ч е н и ю и т и п у и з м е р и т е л ь н ы х в х о д о в

Б е з д о с т у п а

( с в е т о д и о д н а я с и г н а л и з а ц и я )

С а м о п и с е ц ( б у м а ж н ы й

и л и э л е к т р о н н ы й )

А л ф а в и т н о - ц и ф р о в о е

т а б л о и к л а в и а т у р а

С д о с т у п о м

П о л о к а л ь н о м у д о с т у п у к д а н н ы м э н е р г о у ч е т а

И н т е р ф е й с R S - 2 3 2 ,

R S - 4 8 5 , R S - 4 2 2

И м п у л ь с н ы й в ы х о д ( р е л е й -

н ы й , о т к р ы т ы й к о л л е к т о р )

И н т е р ф е й с

И Р П С , И Р П Р , . . .

В н е ш н и й н о с и т е л ь ( м а г -

н и т н ы й , т в е р д о т е л ь н ы й )

П о д и с т а н ц и о н н о м у д о с т у п у к д а н н ы м э н е р г о у ч е т а

К л а с с и ф и к а ц и я с п е ц и а л и з и р о в а н н ы х с и с т е м э н е р г о у ч е т а

Системы учета электрической энергии по количеству каналов учета (как правило, это

импульсные каналы) подразделяются на малоканальные (до 32 каналов) и многоканальные

(свыше 32 каналов), а системы учета энергоносителей — на одно-, двух- и многопоточные,

или многоточечные (одна труба — одна точка учета). В связи с тем, что точка учета

энергоносителя может содержать, как показано ранее, до 5 измерительных каналов (как

правило, аналоговых), многопоточные системы имеют до 15-20 каналов учета.

Назначение каналов определяет их привязку к измерению конкретного параметра

энергоносителя: расходу, давлению или температуре — и выходным параметрам сигнала

соответствующего ПИП. При фиксированном назначении конкретный вход системы может

быть подключен только к ПИП определенного вида (например, только к датчику

избыточного давления С токовым выходом 0-5 мА), а при программируемом назначении

канала к нему можно подключать ПИП для измерения разных параметров энергоносителя и с

разными выходными сигналами (например, датчик расхода, давления или температуры с

токовыми выходами 0-5 , 0-20 или 4-20 мА). При подключении в последнем случае к системе

того или иного датчика информация об этом заносится в систему — система

программируется и настраивается на конкретный датчик.

По типу измерительных каналов все системы энергоучета подразделяются на системы

с аналоговыми, дискретными (импульсными) или смешанными (содержат каналы как

первого, так и второго типа) каналами. В аналоговых каналах используются, как правило,

унифицированные сигналы постоянного тока диапазона 0-5, 0-20 или 4-20 мА, а в

дискретных каналах — числоимпульсные сигналы 0-12 мА с частотой до 10 Гц. При

измерении электрической энергии преобладают ПИП с числоимпульсным выходом, а при

измерении параметров энергоносителей — ПИП с аналоговым выходом. Поэтому системы

для измерения расходов электроэнергии в подавляющем большинстве случаев имеют

числоимпульсные входы, а системы для измерения параметров энергоносителей —

аналоговые входы (существуют ПИП и системы с отступлением от этого правила).

По возможностям локального доступа к данным энергоучета системы подразделяются

на системы без доступа, имеющие только ограниченную светодиодную индикацию своей

работоспособности, и на системы с доступом через табло и клавиатуру или самописец. Для

децентрализованных АСКУЭ применимы только системы с табло и клавиатурой,

позволяющие оперативно просмотреть все необходимые текущие и накопленные данные по

энергоучету на месте. Дистанционный доступ (с верхнего уровня АСКУЭ) к данным

энергоучета может осуществляться с помощью стандартных компьютерных интерфейсов,

дискретных (импульсных) информационных выходов систем или переносного внешнего

носителя.

По назначению АСКУЭ подразделяют на системы коммерческого и технического

учета. Коммерческий, или расчетный учет – это учет выработанной и отпущенной

потребителю энергии для денежного расчета за нее. Технический, или контрольный учет –

это учет для контроля процесса энергопотребления внутри предприятия по его

подразделениям и объектам. Системы АСКУЭ коммерческого и технического учета могут

быть реализованы как раздельные системы или как единая (смешанная) система.

По принципу реализации и доступа к информации АСКУЭ как коммерческого, так и

технического учета можно подразделить на централизованные и децентрализованные.

Структура централизованной системы совпадает с обобщенной трехуровневой схемой

АСКУЭ. В такой системе сбор данных с ПИП осуществляется непосредственно или через

УСД на многоканальный контроллер, а с него далее на ПК. Такая структура АСКУЭ

гарантирует получение в реальном масштабе времени полной и точной информации.

Децентрализованная АСКУЭ строится на базе недорогих малоканальных

контроллеров учета со встроенным табло и клавиатурой, которые устанавливаются

непосредственно на контролируемых объектах и подключаются к главному ПК. Такая

АСКУЭ обеспечивает в реальном масштабе времени доступ к информации энергоучета.

Децентрализованные АСКУЭ позволяют оперативно и эффективно решать на местах задачи

учета, контроля и экономии, позволяют реализовать автоматическое управление нагрузкой

непосредственно на местах. Децентрализованная структура АСКУЭ разрешает объединить в

рамках единой АСКУЭ функции коммерческого и технического учетов.

В типовой трехуровневой структуре АСКУЭ нижний уровень связан со средним

уровнем измерительными каналами. К этим каналам относятся первичные преобразователи и

линии связи, подключенные с одной стороны к выходам ПИП, а с другой стороны – ко

входным цепям вторичных преобразователей. Большинство преобразователей имеет токовые

аналоговые и/или токовые дискретные выходы. Поэтому выбор типов вторичных

преобразователей (контроллеров, систем) в АСКУЭ, а также территориально-распределенная

структура АСКУЭ во многом зависят от выходных интерфейсов используемых первичных

преобразователей.

Каналы связи в трехуровневой структуре АСКУЭ между средним уровнем и верхним

уровнем ПК имеют типовые интерфейсы.

Интерфейс с токовой петлей (CL) относится к классу универсальных двухточечных

радиальных интерфейсов удаленного последовательного доступа к системам и позволяет

осуществить связь по физическим линиям на расстояния до 3 км без использования модемов.

Максимальная скорость передачи сигналов по токовой петле — 9600 бит/с на расстояние до

300 м. С увеличением расстояния скорость снижается. Токовая петля позволяет передавать

данные по двухпроводной линии в одном направлении (симплексный) от передатчика к

приемнику.

Для одновременной передачи в двух противоположных направлениях (дуплексный)

используется четырехпроводная линия (интерфейсе ИРПС). Интерфейс содержит две цепи.

Скорость 9600 бит/с на расстояние до 500 м и не регламентирует типы применяемых кабелей

и разъемов.

Наиболее широко используют интерфейс RS-232C. В зависимости от условий

конкретного применения используется различное число линий интерфейса. Например, для

асинхронного обмена через модем требуются 8 цепей, а для аналогичной связи по

физическим линиям – только три цепи. Скорость передачи данных по интерфейсу RS-232C

составляет от 50 до 19200 бит/с. Более современные интерфейсы RS-422А и RS-485А имеют

скорость передачи до 10 Мбит/с. Современный интерфейс RS-485 позволяет строить

разветвленные децентрализованные АСКУЭ по многоточечной схеме (с удалением систем до

1200 м от ПК) с использованием двухпроводных линий связи.

Структуры АСКУЭ предназначены для решения следующих задач:

 комплексный автоматизированный коммерческий и технический учет электроэнергии и

энергоносителей;

 контроль энергопотребления по всем энергоносителям, точкам и структурам учета в

заданных временных интервалах (3, 30 минут, зоны, смены, сутки, декады, месяцы,

кварталы и годы);

 фиксация отклонений контролируемых величин энергоучета и их оценка в абсолютных и

относительных единицах;

 сигнализация отклонений контролируемых величин;

 прогнозирование значений величин с целью планирования энергопотребления;

 автоматическое управление энергопотреблением на основе заданных критериев и

приоритетных схем включения/отключения;

 обеспечение внутреннего хозрасчета по энергоресурсам между подразделениями

предприятия;

Существующие в настоящее время АСКУЭ решают только часть перечисленных

задач. Решение всего комплекса задач возможно только в рамках децентрализованных

АСКУЭ (большинство действующих АСКУЭ построено по централизованной схеме).

Функции АСКУЭ

Для решения приведенных задач АСКУЭ должны обеспечивать выполнение

следующих функций:

 формирование нормативно-справочной базы энергоучета;

 сбор в автоматическом и ручном режимах параметров системы;

 накопление данных энергоучета в базе данных на ПК;

 обработка накопленных значений энергоучета в соответствии с действующими тарифами,

схемой энергоснабжения и структурой учета предприятия;

 отображение измерительной и расчетной информации энергоучета в виде комплекса

графиков, таблиц и ведомостей на мониторе ПК.

 документирование измерительной и расчетной информации энергоучета;

 сигнализация о нештатных ситуациях;

 прогнозирование нагрузки;

 автодиагностика АСКУЭ.

Величина экономического эффекта от использования АСКУЭ достигает по

предприятиям в среднем 15-30% от годового потребления энергоресурсов. Эффективность

конкретных АСКУЭ во многом зависит от правильного выбора специализированных

информационно-измерительных систем энергоучета, устанавливаемых на среднем уровне

АСКУЭ.

ПРИМЕР ПРОМЫШЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Автоматизированная система информационного

сопровождения стана (АИС)

Мелкосортный стан Молдавского металлургического завода состоит из

последовательности пар валков (клетей), которые обжимают проходящую между ними

заготовку до нужного профиля. Здесь внедрена двухниточная прокатка, при которой через

клети стана проходят одновременно две заготовки. До определенной клети они идут вместе

по так называемым левой и правой ниткам, а затем разветвляются; левая идет в зону отделки

СОРТА, где разрезается на прутки, которые связываются в пакеты и взвешиваются, а правая

– на БЛОК, после которого получается готовый прокат в виде бунтов катанки. Применяются

режимы проката, при которых заготовки с обеих ниток поступают либо на сорт, либо на

блок.

Рис. 1. Схема технологической линии сортопрокатного стана

Прежде чем попасть в стан, заготовки нагреваются до нужной температуры в одной из

двух нагревательных печей. Печи имеют магазинную организацию и вмещают порядка 100

заготовок каждая. Каждая заготовка перед загрузкой в печь взвешивается, затем,

перемещаясь в печи, нагревается, доходит до окна выдачи, а, выйдя, перемещается по

передающему устройству и направляется в стан на ту или иную нитку. Все операции,

начиная с взвешивания заготовки перед загрузкой в нагревательную печь и кончая

взвешиванием готового пакета (бунта), и входит в сферу АИС. АИС выполняет три основные

функции.

1. Оперативно отображает текущее состояние технологического процесса, помогает

избежать смешивания плавок (партий заготовок, имеющих разные свойства металла) и

позволяет существенно снижать протяженность технологических пауз.

2. Передает оперативные данные автономным системам АСУ нагрева заготовок и Тепловой

модели нагревательных печей.

3. Осуществляет автоматический сбор и хранение различных учетных параметров, начиная

с износа оборудования и, кончая данными о производстве, а также обеспечивает их

просмотр и статистическую обработку.

Аппаратные средства

АИС отслеживает каждую заготовку. Реквизиты плавки задает оператор при загрузке,

а порядковый номер и история заготовки строится на данных контроллеров управления

механизмами и измерительных приборов. Т.к. процессы на стане довольно быстрые, поэтому

предъявляются высокие требования к устойчивости системы и исключению потерь сигналов.

АИС реализована в операционной системе QNX. Она имеет выход на

технологическую сеть Sinec-H1, откуда поступают данные с контроллеров управления

механизмами стана Siemens серии S7-400. Другими источниками первичных данных

являются приборы Ш711 (интеллектуальный многоканальный АЦП) и MERAV (съём

показания весов), связанные через ИРПС (токовая петля) с интеллектуальным мультипортом

Intellicon-Flex8, а также некоторое количество дискретных сигналов, принимаемых через

плату PCLD-782B. В качестве базы данных долговременного хранения информации

используется Sybase SQL Anywhere. Система реализуется на обычных либо промышленных

компьютерах Pentium. Операторские станции подразделяются на два типа: Pentium с 21-

дюймовыми мониторами промышленного исполнения, предназначенные для работы в

графическом режиме, и рабочие станции AWS-825 фирмы Advantech, работающие в режиме

терминала. Для визуализации используется графический интерфейс Photon microGUI, а

также инструментальная среда для автоматизированного проектирования систем контроля и

управления RTWin.

На рис. 2 отображены основные компоненты и взаимосвязи системы АИС.

Рис. 2. Компоненты и взаимосвязи АИС

Программное обеспечение АИС

Сервис АИС представляет собой комплекс программ (процессов), запускаемых на

одном узле и взаимодействующих через общую разделяемую память (рис. 3).

Драйвер

Ш711

Сервис

АИС

Администр

атор базы

данных

Драйвер

очередей

Агент

сообщений

Прием

данных Н1

Драйвер

Н1

Драйвер

MERAV

Приборы

MERAV

Приборы

Ш711

База

данных

АСУ

нагрева

заготовок

Тепловая

модель

печи

Съем

дискретных

сигналов

весов

отделки

Индикация

на табло

Индикация

на

терминалы

Проекты

RTWin

Операторские

станции

Узел обработки данных Узел базы данных

Контроллеры управления механизмами стана Siemens S7

ТерминалыДискретные сигналы Табло

Сеть SINEC H1

Сеть QNX

НАЗНАЧЕНИЕ МОДУЛЕЙ СЕРВИСА АИС

ais

a_rval

a_sql

a_tmp_rcv

a_tmp_send

a_ind

a_dat

a_nsi

a_put_ti

a_merav

a_711

Головной модуль

Считывание данных из Базы валков

Запись данных во входную очередь агента сообщений для Базы

Сервер-получатель для Тепловой модели печи

Сервер-отправитель для Тепловой модели печи

Формирование реквизитов отображения

Обработка сигналов контроллеров H1 и PCL-722

Считывание НСИ из Базы

Передача данных для табло

Обработка показаний приборов MERAV

Обработка показаний приборов Ш711

Рис. 3. Компоненты Сервиса АИС

Сервис содержит функции получения и обработки первичных данных, создания

базисного набора данных, передачи их на хранение в базу данных и предоставления

информации клиентам. Каждый модуль Сервиса выполняет узкие функции и обновляет

данные по соответствующим каналам. Запускает, выгружает, перезапускает и контролирует

модули головная программа, выполняющая также передачу информационных каналов всем

клиентам. Диагностика и протоколирование всех мероприятий отображается на

информационном экране Сервиса АИС.

Первичные данные попадают в Сервис двумя путями: либо принимаются от

драйверов, либо считываются из разделяемой памяти драйвера по логике прикладного

алгоритма.

Передачу базисной информации из Сервиса по различиям в протоколах можно

разделить на четыре группы.

1. Передача базисного данного по факту его возникновения в базу данных.

2. Передача по событию определенному адресату (например, Тепловой модели

нагревательной печи).

3. Ответ на запрос определенного данного или управляющего воздействия.

4. Передача зарегистрированному клиенту группы каналов.

Также возможно считывание данных непосредственно из разделяемой памяти. Данная

возможность используется при аварийном восстановлении информации или в различных

исследовательских целях.

Драйвер

MERAV

Разд. память

MERAV

a_sql

Драйвер

очередей

Агент

сообщений

a_merav

a_711

a_ind

a_rval

a_nsi

a_tmp_rsv

a_put_ti

a_dat

a_tmp_send

Администр

атор базы

Базы

данных

Тепловая

модель

печей

Разделяема

я память

сервиса

АИС

Драйвер

Ш711

Прием

данных Н1

Драйвер

Ш711

Разд. память

Ш711

Драйвер

табло

Терминалы

ais

Клиенты сервиса АИС

Индикация на терминалы

Передача в Базу данных осуществляется по цепочке, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Путь передачи сообщения в базу данных

Передача Сервис-клиент

Каналы информации пронумерованы, и каждому соответствует некий битовый флаг.

В общей памяти размещена матрица обмена, строки которой соответствуют каналам

информации, а столбцы – клиентам.

При обращении клиент делает запрос на регистрацию. Сервис выделяет свободный

столбец матрицы и возвращает его номер клиенту в качестве подтверждения регистрации.

При запросе данных клиент присылает присвоенный ему номер и две битовые маски,

соответствующие каналам. Первая маска содержит флаги тех каналов, которые вообще

интересуют клиента, а вторая – флаги тех каналов, которые необходимо передать,

независимо от того, обновлялись ли они со времени последнего сеанса. Сервис при

обработке этого запроса собирает в пакет и отсылает клиенту только те из интересующих его

каналов, которые либо запрошены принудительно, либо обновлены с момента последнего

сеанса, после чего столбец матрицы обнуляется. Сервис отключает клиента либо по его

запросу, либо по тайм-ауту.

Клиенты Сервиса

Самые главные клиенты Сервиса – операторские станции. Основную долю времени

они заняты простым отображением информации, но могут выдавать в Сервис и

управляющие воздействия. На операторской станции это выполняет проект RTWin, который

также позволяет оперативно вносить изменения в форму отображения, съем и обработку

данных. Главным достоинством системы является отделение процесса получения базисных

данных от процесса их отображения, поэтому информация, используемая всеми клиентами,

идентична.

Многочисленные SCADA позволяют создавать системы с таким разделением. ОС с

распределенными ресурсами QNX позволяет реализовать такой подход, а также создавать

технологическую информационную сеть. К достоинствам QNX можно отнести высокую

надежность, а к недостаткам – слабый пользовательский интерфейс.

Драйвер

очередей

Агент

сообщений

Администра

тор базы

Sybase SQL

Anywhere

Узел сервиса АИС

Узел базы

данных

Произвольн

ый узел