Полный текст

Введение. В области АСУТП для объединения ПЛК, устройств сопряжения с объектами (УСО), устройств управления электроприводами, интеллектуальных датчиков и измерительных приборов (т.е. технических средств автоматизации ТП) в информационно-управляющие сети традиционно использовались «полевые» шины (field bus) [1-3]. Наиболее известными из них являются сети на основе «физического» интерфейса RS-485 с протоколами Modbus (Schneider Electric), Profibus (Siemens) и сети на основе физического интерфейса и протоколов CAN (первоначально разработаны фирмой BOSH для автомобильных бортовых АСУ автоматикой). Многие устройства промышленной автоматизации используют протокол Modbus-ASCII/RTU в качестве стандартного механизма обмена данными. Коммуникационный протокол Modbus был разработан компанией MODICON в 1979 г. На сегодняшний день он является одним из широко используемых протоколов связи в сфере промышленной автоматизации. Одним из основных недостатков традиционных полевых шин является ограничение на максимальную длину соединительных линий. Для «физического» интерфейса RS-485 максимальная длина составляет 1200 м. Для увеличения длины линий необходимы специализированные устройства - повторители интерфейсов. В настоящее время в АСУТП наблюдается тенденция перехода от традиционных полевых шин ПЛК к локальным сетям Ethernet 10/100 Mbps, основанным на технических решениях, аналогичных используемым в традиционных офисных локальных сетях. Все преимущества сетей Ethernet основаны на их открытости и стандартизации, поэтому подобные сети получили широкое распространение в офисах и на предприятиях. Тот факт, что стандарт Ethernet является открытым, гарантирует его будущее развитие и наращивание функциональных возможностей. Например, за последнее время скорости Ethernet-сетей неуклонно росли и достигли уже 100 Mbps и 1 Gbps; а стандарт на 10 Gbps уже практически утвержден. Таким образом, при проектировании новых систем обеспечена достаточность пропускной способности установленной информационно-управляющей сети [4-6]. Поскольку промышленные сети построены на той же технологии, что и офисные, это еще одно преимущество по интеграции технических решений, предоставляется возможность оперативного анализа производственной информации, что ранее было недоступно. Индустриальные Ethernet-сети принесут большие выгоды промышленным предприятиям. Все более распространенными становятся устройства, поддерживающие Ethernet и использующие для связи протокол Modbus/TCP, оборудованные портами Ethernet 10/100 Mb (RJ-45) для непосредственного подключения их к сети Ethernet. Оборудование нижнего уровня (ПЛК, УСО, приборы) и ПЭВМ верхнего уровня (АРМ-оператора) объединяется в единую открытую информационно-управляющую сеть на основе протокола TCP/IP, который в данном случае является «транспортным» для протоколов ПЛК, например Modbus. Все ПЛК и приборы, подключаемые к сети, являются узлами сети и имеют собственный IP-адрес. При такой организации информационно-управляющей сети отпадает необходимость в использовании специализированных устройств для подключения полевых шин к ПК. Оборудование для таких сетей хорошо стандартизовано, выпускается многими производителями и стоит относительно недорого. Таким образом, потребителю предоставляется возможность подбора оборудования, оптимального по критерию цена/качество и снимается зависимость от монопольных поставщиков оборудования [7-10]. Проблема ограничения максимальной длины соединительных линий между нижним уровнем (ПЛК, приборы) и верхним (АРМ оператора) в случае перехода к сетям Ethernet полностью исчезает, так как становится возможным использование для передачи данных волоконно-оптических каналов связи на многомодовых или одномодовых оптических кабелях, радиоканалов (Wi-Fi), сотовых сетей (GSM/GPRS, CDMA), каналов ADSL или иных каналов, пригодных для передачи данных по протоколу TCP/IP. Таким образом, под «сетью Ethernet TCP/IP» понимается не только собственно локальная сеть Ethernet на основе кабеля «витая пара» (UTP), но и все вышеупомянутые варианты сетей TCP/IP. Принципиальным моментом здесь является то, что для подключения технических средств автоматизации к сети передачи данных используются порты Ethernet 10/100 Mb (RJ-45). В настоящее время рядом фирм поставляются устройства, являющиеся шлюзами между сетями Ethernet и «полевыми» шинами. Интересным представителем данного класса устройств является шлюз Modbus ASCII/RTU - Modbus/TCP MOXA NPort 6110. Преобразователь NPort 6110 - это удобное решение для объединения в единую сеть TCP/IP-устройств и последовательных устройств, использующих Modbus. NPort 6110 может быть ведущим устройством (master) как в сети Modbus/TCP, так и в сети Modbus-ASCII/RTU. Протокол Modbus/TCP - это вариант протокола Modbus, созданный в 1999 г. Этот протокол был разработан для обеспечения возможности доступа к Ethernet-устройствам через Интернет. Оба протокола являются открытыми (для их использования не требуется приобретать лицензию), поддерживают SCADA-системы, легки в использовании. Кроме того, использование этих протоколов значительно снижает время и стоимость разработки промышленных коммуникационных систем. С аппаратной точки зрения NPort-6110 представляет собой преобразователь асинхронных последовательных интерфейсов RS-232/422/485 в Ethernet. Специально разработанное для NPort-6110 микропрограммное обеспечение позволяет транслировать данные Modbus-ASCII или Modbus-RTU, передаваемые по последовательному интерфейсу, в формате Modbus/TCP по сетям Ethernet. Выбор протокола и скорости обмена данными, задание настроек Master- и Slave-устройств, а также проверка состояния соединений осуществляются при помощи веб-интерфейса. Основные особенности протокола: - автоматический поиск устройств в сети, поддержка DHCP; - в режиме Modbus/TCP Master опрашивает до 31 устройства Modbus/ASCII/RTU Slave; - в режиме Modbus/ASCII/RTU Master опрашивает до 4 устройств Modbus/TCP Slave; - сеть Fast Ethernet 10/100 Мбит/с; - встроенная защита от импульсных помех 15КВ; - последовательный интерфейс RS-232/422/485 (выбирается программно); - высокая скорость по последовательному интерфейсу, до 230,4 Кбит/с. Аналогичное устройство ADAM-4572 выпущено также фирмой Advantech и представляет собой шлюз передачи данных от порта RS-232/422/485 с протоколом Modbus в сеть Ethernet. Основные особенности данного устройства: - шлюз передачи данных от порта RS-232/422/485 с протоколом Modbus в сеть Ethernet; - сетевой протокол: Modbus/TCP; порт: 10/100Base-T, соединитель RJ-45; - последовательный порт: RS-232/422/485 со скоростью обмена 300…115200 бит/с; - протокол ModBus/RTU, ModBus/ASCII. Далее рассмотрим несколько характерных примеров успешной реализации проектов и технических решений в области АСУТП с использованием сетей Ethernet. Сеть передачи данных для КАС-ДУ метрополитена. Локальная вычислительная сеть КАС-ДУ метрополитена имеет сложную структуру (рис. 1). Топология сети представляет собой двойное кольцо или «восьмерку». Она фактически состоит из двух сетей с взаимно резервируемыми комплектами «А» и «Б», которые связаны между собой тремя перемычками - резервными линиями. Опорными узлами сети являются сетевые коммутаторы (Switch), установленные на ЦДУ в инженерном корпусе и на станциях метрополитена, к которым подключаются все АРМ и контроллеры в стойках КАС-ДУ на станциях и в инженерном корпусе (узлы сети, абоненты). Рис. 1. Сеть КАС-ДУ метрополитена Стандарт передачи - Ethernet 100 Mb (100Base-TX), физической средой передачи данных являются медные кабели типа UTP («витая пара»), между станциями - пары одномодовых волокон в оптическом кабеле. Для сопряжения медного и оптоволоконного кабеля используются медиаконвертеры D-Link DMC-515SC. Все контроллеры и все АРМ комплектов «А» и «Б» могут обмениваться между собой информацией по принципу «каждый с каждым». Закольцованная структура сети позволяет значительно повысить надежность передачи информации между абонентами, так как при обрыве любой ветви передача пакетов в сети может выполняться по обходному пути - по исправным ветвям. Для работы в отказоустойчивой сети используются управляемые сетевые коммутаторы 2-го и 3-го уровня D-Link DES-3326 и DES-3526, поддерживающие протокол 802.1D Spanning tree. Этот протокол определяет набор правил взаимодействия между собой всех узловых коммутаторов в сети для построения маршрутов передачи сетевых пакетов между абонентами в обход поврежденного участка, и при этом исключается бесконечная «закольцовка» пакетов в сети при отсутствии повреждений. Пакет, переданный узлом-отправителем, проходит через один или несколько узловых коммутаторов и достигает узла-адресата. При возникновении «закольцовки» произойдет блокировка сети. Таким образом, коммутаторы могут логически разрывать резервные линии при отсутствии повреждений. Следовательно, при нормальной работе сеть будет логически представлять собой «полукольцо», а резервные линии будут отключены. При возникновении обрыва автоматически включается резервная линия и восстанавливается передача пакетов в сети. После устранения неисправности резервная линия автоматически отключится. Система управления освещением подземной автостоянки ТРЦ. В качестве технических средств автоматизации и управления освещением двухуровневой автостоянки торгово-развлекательного центра выбраны модульные контроллеры серии TWIDO фирмы Schneider Electric (рис. 2). Switch Рис. 2. Схема сети управления освещением ТРЦ Принцип построения системы управления - распределенный [11-13]. Электрические аппараты для управления освещением каждого этажа располагаются в трех силовых щитах и рассматриваются как единая система (щиты № 4-6 на 1-м этаже и № 1-3 на 2-м этаже). На 1-м этаже в щите № 6 располагается модульный контроллер TWIDO типа TWDLMDA20DRT, дополненный набором модулей дискретных входов типа TWDDDI16DT и TWDDDI8DT и дискретных выходов типа TWDDRA16RT и TWDDRA8RT. В щитах № 4 и № 5 располагаются базовые модули распределенного ввода/вывода OTB1S0DM9LP, дополненные набором модулей дискретных входов типа TWDDDI16DT и TWDDDI8DT и дискретных выходов типа TWDDRA16RT и TWDDRA8RT. На 2-м этаже в щите № 2 располагается модульный контроллер TWIDO типа TWDLMDA20DRT, дополненный набором модулей дискретных входов типа TWDDDI16DT и TWDDDI8DT и дискретных выходов типа TWDDRA16RT и TWDDRA8RT. Для питания модулей предусмотрены блоки питания 24B/3A. В щитах № 1 и № 3 располагаются базовые модули распределенного ввода/вывода OTB1S0DM9LP, дополненные набором модулей дискретных входов типа TWDDDI16DT и TWDDDI8DT и дискретных выходов типа TWDDRA16RT и TWDDRA8RT. Базовые модули распределенного ввода/вывода OTB1S0DM9LP подключаются к модульному контроллеру TWDLMDA20DRT по интерфейсу RS-485 (протокол ModBus/RTU) при помощи интерфейсного модуля RS-485 типа TWDNOZ485T. Датчики движения подключаются к модулям дискретным входов. Контакторы, управляющие группами светильников, подключаются к модулям дискретным выходов. АСУ в пределах одного этажа работает как единый контроллер под управлением программы, записанной в модуле TWDLMDA20DRT. Для обмена информацией между контроллерами обоих этажей и АРМ диспетчера используется локальная вычислительная сеть здания. Для подключения модулей TWDLMDA20DRT к локальной сети используются устройства MOXA Nport 6110, представляющие собой преобразователь (шлюз) протоколов Modbus/ASCII/RTU (RS-485/232) в протокол Modbus/TCP (локальная сеть Ethernet). Для повышения надежности работы системы предусмотрен двойной комплект АРМ диспетчера. Система диспетчеризации и управления трансформаторной подстанцией и распределительным пунктом. В качестве аппаратов защиты и устройств телемеханики в ячейках высоковольтных выключателей (рис. 3) используются устройства микропроцессорной защиты (МПЗ) типа SEPAM 1000+ серии 20 и 40 (Schneider Electric) [7, 10]. Рис. 3. Система диспетчеризации ТП В пределах подстанции обмен информацией с устройствами SEPAM 1000+ выполняется по сети RS-485 с протоколом Modbus/RTU при помощи модулей связи ACE949-2. Для подключения модулей связи ACE-942 к локальной сети используются устройства MOXA NPort 6110, представляющие собой преобразователь (шлюз) протоколов Modbus/ASCII/RTU (RS-485/232) в протокол Modbus/TCP (локальная сеть Ethernet). Для передачи информации от подстанции на диспетчерский пункт используются каналы ADSL (основной) и GSM/GPRS (резервный). Повышение надежности работы системы гарантируется двойным комплектом АРМ диспетчера. АСУ работой КНС. Современное состояние инженерных сетей и электрооборудования канализационных насосных станций (КНС) многих российских городов является критическим из-за большой изношенности и отсутствия автоматизации [14, 15]. Наиболее важными техническими задачами модернизации КНС, приводящими к быстрой окупаемости, надежной работе и минимальным ущербам от аварий, являются: - замена центробежных насосов (Н) на погружные с новой запорной арматурой и обратных клапанов с целью исключения аварийных режимов «завоздушивания» гидросистем нагнетания и неустойчивого срабатывания аппаратуры; - управление работой Н в кратковременных режимах S2 путем включения-отключения асинхронных двигателей (АД), чем обеспечиваются наилучшие характеристики; - исключение гидроударов в трубопроводах и бросков тока в обмотках АД благодаря использованию устройств мягкого пуска (УМПТ) с программируемыми диаграммами процессов, что снижает эксплуатационные расходы и увеличивает долговечность системы; - применение надежного вспомогательного электрооборудования (АБП, датчиков охраны, систем вентиляции, дренажа и отопления) с управлением от контроллера (МКУиА); - использование системы датчиков (тока, напряжения, температуры, уровня, давления, времени работы, расхода электроэнергии и стоков в характерных точках) с интерфейсом для оперативной индикации и передачи информации через антенно-фидерное устройство (АФУ); - внедрение системы телемеханики и диспетчеризации (ПТД) с двумя каналами радио-Ethernet с визуализацией и протоколированием текущей и статистической информации. Две последние технические задачи являются системными, наиболее сложными и адаптированными под конкретные реализации КНС. Разработаны варианты структурных схем [1] автоматизации, локальных систем измерения данных (СИДП) КНС различной мощности и конфигурации оборудования. В штатном режиме СИДП функционирует следующим образом (рис. 4): измеряются показания датчиков, архивируются в резидентной памяти и ожидается вызов от радиомодема (РМ) ПТД; после вызова и установления связи считываются архив и текущие данные и разрывается связь. Полный цикл обмена определяется объемом информации, форматом и скоростью обмена, определяемыми конкретным типом РМ и интерфейса. Для передачи в диспетчерский пункт информации о расходе электроэнергии, напряжении и токе по вводам счетчики подключаются к локальной сети через модуль шлюза RS-232/485/Ethernet типа ADAM-4570 (Advantech). Для измерения уровня жидкости в резервуаре используются 2 устройства контроля уровня САУ-М7Е («Овен») с кондуктометрическими или поплавковыми датчиками уровня. Для управления насосами и обмена информацией с диспетчерским пунктом используется программируемый контроллер ПЛК100 («Овен») под управлением системы программирования CoDeSys. Программа ПЛК составляется на языке релейно-контактных схем. Для передачи в сеть информации от электрических счетчиков, теплового счетчика и расходомеров используется шлюз RS-232/485/Ethernet ADAM-4570. Для передачи информации от КНС на диспетчерский пункт в качестве основного канала используется оборудование АФУ беспроводной сети стандарта 802.11b/g (Wi-Fi, для частотного диапазона 2,4 ГГц) фирмы D-Link. Рис. 4. Функциональная схема локальных систем измерения данных КНС Государственная комиссия по радиочастотам в настоящее время разрешила юридическим и физическим лицам применение устройств, использующих технологию расширения спектра, в полосе частот 2400-2483,5 МГц (т.е. устройств стандарта 802.11b/g) для создания радиосетей передачи данных без частотного планирования и на безлицензионной основе, при максимальной эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) не больше 100 мВт. Фактически программируемые контроллеры всех КНС и АРМ диспетчерского пункта объединяются в сеть, протокол обмена информации TCP/IP. Контроллеры подключаются к точкам доступа DWL-2100AP по интерфейсу Ethernet. АФУ состоит из многофункциональной беспроводной точки доступа для сетей предприятий (DWL-2100AP) и параболической антенны с высоким коэффициентом усиления (ANT24-2100, 21 dBi) с подключением к беспроводным устройствам D-Link стандартов 802.11b и 802.11g (2,4 ГГц). В качестве запасного канала используется проводной канал (выделенные физические пары и маршрутизаторы D-Link DSL-1501G) или GSM/GPRS-канал. Данная система обеспечивает автономную работу насосов КНС по управлению, сбору и передаче информации с ПТД или со встроенной клавиатуры. При этом оптимизируется моторесурс механизмов, программируются конфигурации датчиков с настройкой параметров измерений, отображаются настройки, режимы и параметры на ЖКИ. ПТД на базе стандартного ПК обеспечивает графический интерфейс пользователя, управление опросом через РМ, полную визуализацию принятых данных, аудио- и видеосигнализацию нештатных ситуаций, хранение в формате реляционных баз данных в режиме круглосуточной непрерывной работы. АСУ водооборотными системами с вентиляторными градирнями. При охлаждении оборотной воды с помощью вентиляторных градирен на температуру охлажденной воды большое влияние оказывают технологические и метеорологические факторы (температура и влажность воздуха, атмосферное давление, интенсивность ветра, осадков и др.), которые носят случайный характер [1, 6, 16]. В связи с этим величина температуры охлажденной воды значительно меняется, ухудшая оптимальную работу оборудования и эффективность технологических процессов. Автоматизированная система регулирования температуры охлажденной воды [17-23] содержит (рис. 5) теплообменный аппарат - вентиляторную градирню, электропривод вентилятора, датчики температуры охлажденной воды и внешних воздействий (температуры и влажности воздуха, подачи и температуры горячей воды), блок расчета скорости вращения вентилятора по регрессионным алгоритмам ПЧ с ПИ-регулятором скорости и законом управления U/f 2= const. Рис. 5. Система частотного регулирования электропривода вентилятора градирни Техническим результатом АСУ водооборота является строгое соблюдение параметров основного технологического процесса, в частности температуры охлажденной воды, что позволяет повысить производительность и качество выпускаемой продукции. АСУ электропривода вентиляторной градирни содержит следующие блоки [1, 23]: - термопреобразователи сопротивления для измерения температуры с точностью Pt100; - преобразователи аналоговых сигналов от термопреобразователей сопротивления в цифровые данные, передаваемые в ПК по локальной сети Ethernet (ADAM 6015); - преобразователи токовых сигналов (4-20 мА), передаваемые по сети Ethernet (ADAM 6017); - шлюзы передачи данных по RS-485 с протоколом Modbus от ПЧ Altivar61 и МК насосных станций холодной и горячей воды, передаваемые по сети Ethernet (ADAM 4572); - коммутатор локальной сети Ethernet; - пост диспетчера с ПК (2 шт.), мониторами, принтером и источниками питания. Аппаратура автоматизации комплектуется в стандартный 19-дюймовый сетевой шкаф, расположенный непосредственно у оператора. Для подключения датчиков предусмотрены кабели МКЭШ, локальная сеть Ethernet выполняется кабелем «витая пара 5-й категории». Выводы. Таким образом, в настоящее время все оборудование сетей Ethernet (коммутаторы, маршрутизаторы, концентраторы, шлюзы, разъемы и т.п.) переводится на промышленное исполнение и способно воспринимать производственные нагрузки, характерные для различных отраслей и технологических процессов [24-27]. При этом современные промышленные сети Ethernet обеспечивают возможность сокращения длины кабельных сетей без установки защитных оболочек за счет использования более простой распределенной схемы подключения (вместо централизованной) и обладают повышенной надежностью по сравнению с аналогами коммерческого (офисного) Ethernet. Промышленные требования по степени защиты (например, NEMA 4x или IP67 и выше), предъявляемые к аппаратуре Ethernet, предусматривают способность оборудования выдерживать экстремальные значения температур (в пределах от -40 до 85 ºС) и даже воздействие жидкости и пыли, сохраняя надежную работоспособность в течение нескольких лет. Чтобы исключить наибольшую долю дополнительных затрат на защитные оболочки кабелей Ethernet, предохраняющие от повреждений и обеспечивающие монтаж их в 19-дюймовые стойки, используются ударопрочные пластмассы и резиновые материалы Tyco Electronics. Кроме воздействия экстремальных температур аппаратура промышленных сетей Ethernet выдерживает скачки напряжений питания (IEEE-472), сильной вибрации (IEC 68-2-6), а также в опасных зонах (UL 1604, CSA C22.2/213 (Class 1,Div.2)). Отнесение промышленных коммутаторов Ethernet к классу Class 1, Div.2 позволяет эксплуатировать их в опасных зонах при наличии легковоспламеняющихся газов или частиц, в частности, в нефтегазовой, полупроводниковой, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей отраслях. Еще в 2006 г. доля продукции для сетей Ethernet составила 76 % общего рынка товаров для промышленной автоматизации, а к 2011 г. доля сетевых и шинных технологий Ethernet увеличилась до 81 % рынка объемом в 1 млрд долларов. Это обусловлено еще и тем, что системы промышленного Ethernet доступны обслуживающему персоналу и рассчитаны на минимальную поддержку с применением простых инструментальных средств и использованием интерфейса для просмотра данных либо конфигурации, аналогично веб-браузеру. В этом случае заводской персонал сможет обслуживать и контролировать систему самостоятельно, не обращаясь к помощи высококвалифицированных IT-специалистов.

Об авторах

О. В Крюков

АО «Гипрогазцентр»

Email: o.kryukov@ggc.nnov.ru

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 64

PDF (Russian) - 86

Ссылки

• Ссылки не определены.