Введение
Автоматизация - это обширная и разнообразная сфера. Для достижения качественной автоматизации необходимы не только современные технические и программные средства, но и профессиональная инженерная работа, основанная на знаниях и опыте.
Для достижения качественной автоматизации необходимы не только современные технические и программные средства, но и профессиональная инженерная работа, основанная на знаниях и опыте.
Автоматизация позволяет повысить эффективность, надежность и безопасность различных процессов, связанных с производством, управлением, обслуживанием и контролем. Автоматизация также способствует экономии ресурсов, снижению затрат и улучшению качества продукции и услуг.
В этой статье мы рассмотрим одну из наиболее значимых и сложных областей автоматизации - автоматизацию непрерывных технологических процессов.
Непрерывное производство подразумевает постоянный контроль таких параметров, как расход, давление, температура, напряжение, положение механизмов и прочие. К нему относятся химические реакторы, пищевая промышленность, металлургия, тепло-, водо- и электроснабжение. На таких производствах работает мало людей, а большую роль играют системы автоматического регулирования.
Автоматизация позволяет снизить затраты на ресурсы и энергию, а также гарантировать стабильность технологического процесса, исключая влияние человеческого фактора и окружающей среды. Для управления непрерывным производством важно, чтобы динамические характеристики объекта управления и системы автоматического регулирования соответствовали друг другу на всем протяжении изменения регулируемых параметров.
Системы автоматизации непрерывных технологических процессов - это системы, которые позволяют управлять производством без непосредственного участия человека, а также повышать его эффективность, качество и безопасность. История развития таких систем можно разделить на несколько этапов:
- Первый этап (18-19 вв.) - появление и развитие самодействующих устройств, регуляторов, автоматических приборов контроля и сигнализации, основанных на механических, гидравлических и пневматических принципах..
- Второй этап (конец 19 - начало 20 вв.) - внедрение электрических и электромеханических средств автоматизации, таких как реле, контакторы, электромагниты, синхронизаторы, тахометры, амперметры, вольтметры и т.д.
- Третий этап (20-30-е гг. 20 в.) - разработка и применение электронных средств автоматизации, таких как вакуумные лампы, тиристоры, диоды, транзисторы, фотоэлементы, радиолокационные и телевизионные системы.
- Четвертый этап (40-50-е гг. 20 в.) - появление и развитие вычислительной техники, цифровой электроники, логических схем, микросхем, микропроцессоров, программного обеспечения, а также кибернетики как науки об управлении и связи.
- Пятый этап (60-е гг. 20 в. - настоящее время) - создание и совершенствование компьютерных систем управления, сетевых технологий, баз данных, искусственного интеллекта, нейронных сетей, экспертных систем, роботов, датчиков, исполнительных устройств, интерфейсов человек-машина и т.д.
Локальный контроль и управление
Корни автоматизации уходят в далекое прошлое, когда появились первые простые машины и механизмы. Они имели встроенные функции регулирования и контроля, которые исключали необходимость постоянного участия человека-оператора. Например, можно упомянуть поплавковый регулятор поступления воды в поилку для скота, который упоминается в арабских текстах IX века.
Во время промышленной революции в машинах появились механизмы регулирования, которые не могли быть контролируемы человеком напрямую (например, скорость, качество, безопасность и т. д.). Известным примером такого механизма является центробежный регулятор скорости паровой машины Уатта 1782 г.
Однако настоящее развитие области автоматизации началось накануне и во время Второй мировой войны. В этот период были созданы первые теоретические работы, описывающие основные принципы автоматического управления (например, работы Найквиста в области устойчивости и отрицательной обратной связи в 1930-х годах и особенно метод Циглера-Никольса оптимальных настроек регулятора 1942 года).
Хотя автоматизация как область не связана напрямую с электротехникой (вначале для регулирования использовались механические устройства, а затем и по сей день применяются гидравлические и пневматические системы для специфических задач), однако ее быстрое развитие до современного уровня стало возможным благодаря достижениям в электротехнике, а особенно в электронике.
Длительный начальный период автоматизации характеризовался тем, что техника управления была полностью интегрирована в технологическое оборудование в виде его локального контроля и управления.
Удаленный мониторинг и управление
Бурное развитие области автоматизации, значительно превзошедшее существующие технологии локального управления, произошло после Второй мировой войны. Стала возможной автоматизация крупных технологических агрегатов, особенно с непрерывными технологическими процессами (нефтеперерабатывающие заводы, металлургические заводы, электростанции и т. д.). Были созданы первые централизованные пункты управления как отдельными технологическими устройствами, так и целыми технологическими агрегатами.
В 1950-е годы появились первые автоматические устройства, работающие на электрических реле и контакторах. Это дало возможность создать достаточно развитую автоматику, в частности логического типа, на релейно-контактных схемах.
В конце 1960-х годов были разработаны модульные комплекты аналоговых систем автоматики на полупроводниковой основе. С их помощью можно было создать систему управления технологическим устройством, соединяя и настраивая отдельные модули На практике эти системы охватывали большие технологические узлы и выполняли сложные функции логического и непрерывного управления.
Появление цифровых технологий
Использование цифровых компьютеров для обработки данных вскоре привело к идее их применения в управлении технологическими процессами. Первые такие решения появились в 1960-х годах. Однако это было скорее экспериментальным направлением.
Более важным было развитие соответствующей теории дискретного управления, и в 1970-х годах компьютеры стали реально использоваться в промышленности. Однако это все еще требовало команды компьютерных специалистов. Главной проблемой оставалась недостаточная надежность применяемых средств.
В 1980-х годах появились специализированные миникомпьютеры для управления в реальном времени с входными и выходными интерфейсами для подключения датчиков и исполнительных устройств, связанных с технологическим процессом. Однако компьютер с программой обычно не находился непосредственно на уровне управления с обратной связью и управления технологическим процессом, а служил удобным информационно-управляющим дополнением.
Решающим событием будущей цифровой эпохи автоматизации стало появление микропроцессора (восьмибитного процессора Intel 8080 в 1974 году и шестнадцатибитного Intel 8086 в 1977 году).
От компьютеров к ПЛК и РСУ
Первыми средствами цифровой автоматизации, не требующими «компьютерных» знаний, были программируемые автоматы (Programmable Logic Controller — PLC), появившиеся в конце 1970-х годов. Они были созданы как программируемая альтернатива автоматическим реле.
Их функции управления программируются с использованием инструментов, знакомых людям из области автоматизации (линейные схемы, логические инструкции, диаграммы состояний и т. д.), которые с самого начала часто имеют форму вспомогательных (полу)графических инструментов.
С функциональной точки зрения они имеют входы и выходы для универсального набора сигналов. Их быстрое развитие и массовое распространение пришлось на 80-е годы прошлого века с массовым появлением микропроцессоров.
Во второй половине 1980-х годов был создан еще один вид средств автоматизации технологических процессов — распределенная система управления (РСУ, Distributed Control System — DCS). Это цифровая замена аналоговых наборов автоматики, предназначенных для управления непрерывными технологическими процессами.
Прежде всего, для достижения необходимой эксплуатационной надежности системы управления и доступности управляемого технологического оборудования была использована распределенная структура аппаратуры микроЭВМ в сочетании с отдельными функциями управления (система разделена на ряд связанных, но независимо работающих подсистем).
Внедрение РСУ подразумевает проектирование структуры взаимосвязанных подсистем и подключение их входов и выходов к датчикам и исполнительным устройствам технологического процесса. Функции управления определяются логическим соединением, конфигурацией и параметризацией заранее запрограммированных функциональных блоков в вспомогательных инструментах компьютерной графики.
Распределенные системы управления чаще всего используются для управления с непрерывной обратной связью, прямого логического управления и управления крупными технологическими агрегатами.
Первые системы управления основывались на последовательных шинах связи и компьютеризированных средствах взаимодействия с оператором (системы контроля и управления).
Системы ПЛК и РСУ были централизованно размещены в специальных помещениях. В обоих случаях это были уникальные решения компании с минимальным использованием стандартизированных и унифицированных компонентов.
Последовательные шины связи
Внедрение систем управления на базе цифровых процессоров вскоре привело к применению последовательных шин для их взаимодействия. Серийные шины собственного дизайна компании появились в РСУ и стали одним из их основных элементов. Позже их также стали использовать для подключения ПЛК с локальным управлением и панелей оператора или более удобных контактных систем.
Необходимость подключения различных типов систем управления от разных производителей привела к появлению первых стандартизированных интерфейсов и протоколов связи. Эта тенденция продолжается с увеличением использования стандартов, созданных в области информатики. Многие методы связи, используемые в автоматизации, основаны на стандарте Ethernet с разной степенью поддержки работы в реальном времени.
Специфическим средством связи в автоматизации являются последовательные полевые шины для подключения удаленных децентрализованных входов и выходов или непосредственно интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств.
Здесь, кроме стандартных физических интерфейсов последовательных шин (RS-485, CAN, а в последнее время и Ethernet), также применяются методы передачи данных, основанные на наложении переменных сигналов, несущих цифровую информацию, на аналоговые токовые петли (HART, Foundation Fieldbus). С точки зрения цифровой связи, это детерминированная работа с фиксированным и гарантированным временем отклика.
Сервисные системы
Компьютерные системы обслуживания клиентов впервые появились вместе с системами РСУ. Это были дорогие мощные рабочие станции с графическими терминалами и специализированными программными продуктами компании. Компьютеры стандарта ПК, а затем и операционной системы Windows, проникали в эту область очень медленно и с трудом. Однако в настоящее время на этой основе создаются не только комфортные системы контакта с оператором (HMI/SCADA), но и большинство более простых панелей оператора.
Существует множество универсальных программных пакетов для создания систем взаимодействия с клиентами с открытыми интерфейсами связи и стандартным интерфейсом данных OPC. Кроме станций визуализации и контроля технологического процесса, эти пакеты теперь включают и другие системы обработки и хранения технологических данных (оперативные и архивные базы данных и серверы) и в целом любые сопутствующие расчеты в онлайн- и оффлайн-режимах работы. Обычно требуется связать этот уровень управления технологическими процессами с более высоким информационным уровнем предприятия.
Современной тенденцией является использование Интернет-методов с одновременным обеспечением надежности и безопасности работы соответствующих прикладных программ.
Входы и выходы
Система автоматизации включает в себя важную и обширную область подключения мощных средств управления к технологическому процессу. На низшем уровне управления технологией требуются различные устройства, усилители и преобразователи сигналов датчиков и исполнительных устройств, использующих аппаратные модули.
Изначально сигналы подключались к системам управления через схемы ввода-вывода, находящиеся на станциях управления. При этом и сейчас широко применяемом централизованном решении отдельные сигналы от технологического устройства необходимо передавать по кабелям в систему управления. С появлением коммуникационных шин типа fieldbus стали использовать удаленные децентрализованные устройства ввода-вывода для подключения входных или выходных сигналов, которые могут располагаться рядом с управляемым технологическим устройством и соединяться с системой управления.
Интеллектуальные датчики и исполнительные устройства придают новое качество области решений ввода и вывода для систем управления. Эти устройства с микропроцессорным управлением часто являются сложными системами автоматизации (например, приводные преобразователи с асинхронными двигателями), выполняющие множество новых функций (параметрирование, диагностика, калибровка, техническое обслуживание, измерение основной величины, а зачастую и многих дополнительных рабочих величин).
Для датчиков и исполнительных устройств, сделанных таким образом, предусмотрена возможность аналогового подключения к классическим входам и выходам, осуществляющим оцифровку соответствующих сигналов, или прямого подключения с использованием шин типа Fieldbus (HART, Profibus-DP и т.д.).
Одно из популярных решений на уровне датчиков и исполнительных устройств представляет собой концепцию Foundation Fieldbus. Это не просто полевая шина для подключения интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств к системе управления, а новый способ реализации управления с распределенной обратной связью на «самом низком» уровне (алгоритмы управления выполняются непосредственно в интеллектуальных датчиках или исполнительных устройствах, включенных через Foundation Fieldbus в замкнутый контур).
Слияние HMI и ИТ
HMI и ИТ-системы сейчас используют одно и то же аппаратное (ПК) и системное программное обеспечение. Они формируют иерархию по функциональности, в которой данные, собранные HMI во время технологического процесса, поступают на более высокие уровни ИТ для распределения и обработки.
Система управления, непосредственно управляющая и контролирующая технологический процесс, является относительно стабильным уровнем, жизненный цикл которого зависит, в первую очередь, от управляемого технологического оборудования (изменение этого уровня управления часто связано с изменением управляемой операции).
В отличие от него, системы HMI, создаваемые с помощью ИТ-инструментов, сейчас являются уровнем, подверженным быстрому физическому и особенно моральному износу.
Модификации и обновления этого уровня обусловлены новыми системными функциями, предлагаемыми в области ИТ, а также часто «навязанными» инновациями из-за быстрого развития аппаратного и программного обеспечения (через некоторое время оригинальное оборудование становится недоступным, а программное обеспечение перестает поддерживаться). Связующее звено между двумя уровнями - коммуникационная шина на основе стандарта Ethernet.
Сближение РСУ и ПЛК
Системы управления, такие как ПЛК и РСУ, на основе процессоров стали сходными по функционалу. ПЛК приобрели возможности, которые ранее были характерны только для РСУ, и стали широко доступными и универсальными продуктами. РСУ, в свою очередь, сохранили свою сложность как инструменты для управления большими и непрерывными технологическими процессами.
Для повышения эффективности разработки и производства РСУ стали использовать технические средства, которые первоначально предназначались и выпускались как ПЛК. Поэтому сейчас разделение систем управления на РСУ и ПЛК мало зависит от применяемых технических средств.
Эта категоризация, имеющая исторические корни, теперь больше определяется способом продажи или решения для сложных заказов. ПЛК продаются как «универсальные» инструменты, подходящие для различных задач. РСУ же рассматриваются как средство автоматизации сложных и масштабных технологических объектов и имеют удобные инструменты для централизованного управления проектом и работой системы управления на протяжении всего ее жизненного цикла.
Тенденции автоматизации технологических процессов
В современных условиях производства все большее значение приобретает самоуправление непрерывными технологическими процессами. Для этого широко применяются интеллектуальные датчики и исполнительные устройства, которые обеспечивают прямое распределенное управление на самом низком уровне.
Классические системы управления, в свою очередь, отвечают за координацию и оптимизацию работы технологических групп и агрегатов на верхнем уровне. Это требует применения современных знаний и методов теории автоматического управления, а также стандартизации не только компонентов и средств автоматизации, но и алгоритмов решения целевых задач.
С увеличением сложности всей системы управления растет и роль диагностики как самой системы, так и управляемых объектов. Для эффективного проектирования и обслуживания системы управления на протяжении всего ее жизненного цикла необходимы более удобные и комплексные инструменты.
При необходимой высокой надежности и безопасности целевых решений автоматизации все больше ИТ-ресурсов интегрируются в автоматизацию (аппаратное и программное обеспечение, методы plug-and-play, Интернет-методы и т. д.).
Кроме того, появляются новые прикладные инструменты для оперативной и автономной обработки большого объема полученных и сохраненных производственных данных, такие как искусственный интеллект, машинное обучение, большие данные и т.д. Эти тенденции позволяют повысить эффективность, качество и экономичность технологических процессов.
Автоматизация не является самоцелью, а лишь средством достижения определенных целей. Поэтому, при разработке и внедрении автоматизированных систем необходимо учитывать специфику конкретной области, задачи и требования заказчика, а также возможные риски и последствия.
Автоматизация должна быть гибкой, адаптивной и устойчивой к изменениям внешней и внутренней среды. Автоматизация также должна быть ориентирована на потребности и удовлетворение пользователя, а не наследовать устаревшие или неоптимальные решения.
Для реализации этих принципов необходимо применять системный подход к автоматизации, который включает в себя следующие этапы: анализ, проектирование, разработка, тестирование, внедрение, эксплуатация и сопровождение.
На каждом этапе необходимо участвовать как специалисты по автоматизации, так и представители заказчика и пользователя, чтобы обеспечить согласованность и соответствие требованиям и ожиданиям всех заинтересованных сторон.
Также необходимо использовать современные методы и инструменты, такие как моделирование, симуляция, оптимизация, искусственный интеллект, машинное обучение, большие данные и облачные вычисления, чтобы повысить качество и эффективность автоматизированных систем.
Андрей Повный