Распределенные системы управления (РСУ) — DCS
сергей рылов
к.т.н., эксперт по автоматизации производства,
Школа Fine Start
В данной статье рассмотрим такое эффективное решение, как
распределенная система управления
(РСУ) — DCS.
Подробно изучим: понятие, сферы применения, задачи и преимущества РСУ.
Итак, начнём!
Введение
С ростом количества датчиков, увеличением площади территории, на которой расположена автоматизированная система и усложнением алгоритмов управления, становится более эффективным решением — применение Распределенных Систем Управления (РСУ).
Распределенные системы состоят из множества территориально разнесенных контроллеров и модулей ввода-вывода. При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритма ее работы становятся подобны структуре самого объекта автоматизации, а функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества контроллеров.
Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. Тенденция децентрализации управления и приближения контроллеров к объектам управления является общей для всех систем автоматизации. Кроме того, сосредоточенная система является частью или частным случаем распределенной, поэтому появление распределенных систем является следствием естественного развития от частного к общему.
Распределённая система управления (РСУ) (Distributed Control System, DCS) —
система управления технологическим процессом, отличающаяся построением распределённой системы ввода-вывода и децентрализацией обработки данных.
РСУ (Рис.1) можно определить — как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.
В предельном случае элементы системы могут находиться на разных континентах земного шара, а связь между ними может выполняться через интернет.
В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устройства, например, ПЛК или разнесенные в пространстве модули ввода-вывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере.
Первые инструментальные средства для создания DCS были представлены на рынок в 1975 году компаниями Honeywell (система TDC 2000) и Yokogawa (система CENTUM). Американский производитель Bristol Babcock в том же году представил свои универсальные контроллеры UCS 3000. Иногда к DCS относят систему Contronic 3 фирмы Schoppe & Faeser.
В 1979 году компания Fisher & Porter представила свою систему DCI-4000, а Invensys систему SPECTRUM.
В 1980 году компания Bailey представила систему NETWORK 90, а компания Alfa Laval систему SattLine.
Системы управления реляционными базами данных (СУРБД) хранят информацию в таблицах, имеющих отношения, или связанных, друг с другом. Запись и извлечение информации с использованием таких таблиц выполняется более эффективно, чем в случае записи данных в одну большую таблицу.
Microsoft SQL Server является реляционной базой данных.
Сферы применения РСУ многочисленны:
- Химия и нефтехимия
- Нефтепереработка и нефтедобыча
- Газодобыча и газопереработка
- Металлургия
- Пищевая промышленность: молочная, сахарная, пивная
- Энергоснабжение и т.д.
Требования к современной РСУ:
- Отказоустойчивость и безопасность
- Простота разработки и конфигурирования
- Поддержка территориально распределённой архитектуры
- Единая конфигурационная база данных
- Развитый человеко-машинный интерфейс
Задачи РСУ:
- Соединение пользователей с ресурсами
- Прозрачность — свойство систем, которые представлены в виде единой компьютерной системы
- Открытость — система, предлагающая службы, вызов которых требует стандартные синтаксис и семантику
- Масштабируемость
В итоге РСУ имеет следующие характеристики, отличающие ее от сосредоточенной:
- Большее быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими процессорами
- Повышенную надежность (отказ одного из контролеров не влияет на работоспособность других)
- Большую устойчивость к сбоям
- Более простое наращивание или реконфигурирование системы
- Упрощенную процедуру модернизации
- Большую простоту проектирования, настройки, диагностики и обслуживания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из модулей системы
- Улучшенную помехоустойчивость и точность благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов от датчиков к устройствам ввода
- Меньший объем кабельной продукции, пониженные требования к кабелю и более низкая его стоимость
- Меньшие расходы на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства
Функциональное отличие РСУ от систем ПЛК+СКАДА — заключается в следующем:
- База данных распределена между контроллерами, но выглядит единой с точки зрения инженера. Именно это свойство и заложено в название «РСУ»
- Операторский интерфейс тесно интегрирован в систему. Это не ПО SCADA, которое нужно «привязывать» к аппаратным средствам (железу). Здесь все работает сразу после включения питания и без какой-либо настройки
- Интенсивная и обширная обработка тревог (алармов) и событий реализуется также без каких-либо усилий со стороны разработчика
- Возможность вести разработку конфигурации и вносить изменения он-лайн, (то есть, не останавливая процесса управления)
- Возможность менять отказавшее оборудование и расширять систему (добавлять новые узлы и платы) без отключения питания
- Глубокая диагностика от уровня операторского интерфейса до отдельного канала ввода/вывода без какой-либо настройки
- Возможность резервирования любого компонента системы (контроллер, модуль ввода/вывода, операторские станции) на аппаратном уровне и без какой-либо настройки программного обеспечения
Все это, разумеется, делает начальную цену РСУ более высокой по сравнению с ПЛК+СКАДА, но на порядок снижает время разработки и внедрения.
Контроллеры для распределенных систем управления
В связи с резким удешевлением микропроцессорной техники с одновременным повышением их надежности и характеристик, уменьшением их размеров и увеличением их функциональных возможностей появилось большое количество малогабаритных контроллеров и компьютеров, обладающих невысокой стоимостью.
Наличие развитых сетевых средств позволяет связывать эти контроллеры в единую сеть, причем различные узлы (контроллеры, интеллектуальные модули ввода-вывода, компьютеры) этой сети могут быть разнесены друг от друга на достаточно большие расстояния.
Такая распределенная архитектура системы управления обладает следующими достоинствами:
- Высокая надежность работы системы. Четкое распределение обязанностей в распределенной системе делает ее работоспособной даже при выходе из строя или зависания любого узла
- Малое количество проводных соединении. Контроллеры имеют возможность работать в тяжелых промышленных условиях, поэтому они как правило, устанавливаются в непосредственной близости от объекта управления
- Легкая расширяемость системы. При появлении дополнительных точек контроля и управления достаточно добавить в системы новый узел (контроллер, интеллектуальный модуль ввода-вывода)
- Малые сроки проведения модернизации
- Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности
- Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности
Преимущества РСУ
С ростом блоков ввода-вывода и соответственно — количество датчиков в системе, показанной на Рис. 1, увеличивается число и суммарная длина проводов, соединяющих датчики с устройством ввода.
Это приводит не только к росту стоимости кабельного оборудования, но и к проблемам, связанным с электромагнитными наводками, особенно если датчики распределены по большой площади.
В распределенной системе модули ввода-вывода изготавливаются с небольшим количеством входов (обычно от 1 до 16), а сами модули располагаются вблизи места установки датчиков. Увеличение количества датчиков (входов) достигается путем наращивания числа модулей и объединения их с помощью общей шины. Это сокращает общую длину проводов в системе, а также уменьшает длину проводов с аналоговыми сигналами.
Современный рынок РСУ систем
Основными современными системами DCS сегодня являются:
- ABB
- System 800xA
- B&R
- APROL
- Emerson
- Delta V
- Ovation
- Honeywell
- Experion PKS
- TDC3000
- Total Plant Solution (TPS)
- Invensys Foxboro
- I/A Series
- Foxboro A2 (Eurotherm Suite)
- Schneider Electric
- PlantStruXure на базе UAG
- Mitsubishi Electric
- iQPlatform
- Siemens
- Toshiba
- Yokogawa
- CENTUM / CENTUM VP
Сергей Рылов
К.Т.Н., ЭКСПЕРТ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА, ШКОЛА FINE START
Более 10 лет опыта инженером по автоматизации, инженером-программистом АСУ ТП и инженером-проектировщиком АСУ ТП в разных отраслях промышленности.
Принимал участие в таких крупных проектах автоматизации, как проекты ГУП «Мосгортранс» и ОАО "Линде Газ Рус".
Заинтересовала статья?
Освоить востребованную профессию в сфере автоматизации производства вы можете в Школе Fine Start. Узнайте детали в каталоге наших профессий