Контроллеры для автоматизации крупных промышленных объектов

     Контроллеры для автоматизации  крупных промышленных объектов 

     Выбор адекватной решаемым задачам архитектуры  системы автоматизации является актуальной проблемой. Ошибочные решения, принятые на этом этапе проектирования систем автоматизации, могут стать  причиной провала всего проекта. Актуальность этой проблемы существенно возрастает, когда речь идет об автоматизации крупных промышленных объектов, например энергоблоков ТЭС.

     Требования  к системам автоматизации  крупных неоднородных объектов

     Многоуровневость  функционально-технологической структуры объекта

     Известно, что для решения крупной и  сложной задачи, часто ее разбивают  на совокупность более мелких и простых  задач. Сложный объект автоматизации  представляется совокупностью технологических  подсистем, которые, в свою очередь, состоят из более мелких технологических функциональных узлов, а те из совокупности агрегатов и т.д. Определение количества уровней и их границ является несколько условным. Тем ни менее, можно сослаться на сложившуюся практику классификации объектов с точки зрения технологии и опыт разделения реальных объектов на технологические уровни [1]. Выделяют пять основных технологических уровней:

1. уровень предприятия (например, ТЭС);
2. уровень технологического объекта (энергоблоки ТЭС);
3. уровень технологических подсистем (котел, турбина, генератор и т.д.);
4. уровень технологических функциональных узлов (пылесистемы, пароперегреватели и т.д.)
5. уровень технологического оборудования внутри функционального узла (задвижки, механизмы, датчики и т.д.)

     Нас интересует деление технологического объекта, внутри которого выделено три основных уровня. Например, на пылеугольном энергоблоке 200 МВт выделяют всего несколько технологических подсистем, около 100 функциональных узлов (далее ФУ) и несколько тысяч датчиков и исполнительных механизмов. Количество каналов на таком объекте составляет порядка шести тысяч. В таблице 1 показано усредненное число каналов в элементе для каждого из уровней на примере конкретной системы управления энергоблоком 200 МВт [2].

     Из  приведенной количественной оценки видно, что уровень функциональных узлов наиболее адекватен уровню контроллеров или контроллерных модулей в системе управления.

     Разбиение объекта на функциональные узлы основано на выделении отдельной технологической  задачи, либо нескольких тесно связанных  задач в единый узел. Следствием этого является то, что каждый функциональный узел достаточно автономен. Интенсивность его взаимодействия с остальной системой или другими узлами на порядки ниже, чем внутри его. Этот тезис хорошо подтверждается структурой систем управления на традиционных средствах (релейные схемы и автономные регуляторы), где каждая логическая схема, регулятор и т.д. в объеме технологического узла автономны, а взаимодействие всех этих элементов осуществляется через оператора. Таким образом, практика эксплуатации старых АСУ ТП на традиционных локальных средствах подтверждает, что обычный человек со стандартными рефлекторными возможностями справляется с управлением таким объектом как, например, энергоблок ТЭС.

     Можно ожидать, что структура микропроцессорной  системы управления образованная связанными сетью автономными контроллерами, каждый из которых обслуживает свой функциональный узел будет наиболее адекватной функционально-технологической структуре объекта и иметь минимальную интенсивность взаимосвязей между образующими ее элементами.

     Повышенные  требования по надежности

     Для крупных объектов автоматизации традиционные меры по повышению надежности, связанные с применением качественных технических средств с большим временем наработки на отказ (более 100 тыс.часов), являются недостаточными. Характеристика времени наработки на отказ является статистической вероятностной величиной, поэтому при разработке архитектурных решений, повышающих надежность системы, необходимо исходить из того, что такой отказ всегда возможен.

     Основные  принципы, продиктованные самой задачей  автоматизации крупных объектов, из которых целесообразно исходить при проектировании архитектуры системы следующие [3]:

• никакой единичный отказ в системе не должен приводить к потере ее функциональности;
• никакой единичный отказ не должен приводить к потере объема техпроцессов, при котором невозможно функционирование объекта;

     Также существуют общие принципы, вытекающие из методов повышения надежности любых систем [4]:

1. система должна состоять из минимального числа образующих ее элементов;
2. элементы и решения должны быть ортогональны, т.е. необходимый набор функций должен обеспечиваться суперпозицией минимального набора базовых элементов;
3. автономность иерархических уровней в системе;
4. минимальные размеры и простота прикладных программ - увеличение размеров программ ведет к экспоненциальному росту числа ошибок и сложности проверки правильности ее функционирования/

     Быстрое восстановление функций

     Для крупных объектов автоматизации  предъявляются жесткие требования по времени восстановления функции. Вышедшая из строя функция должна быть восстановлена без влияния на остальную функционирующую часть системы, т.е. восстановление должно осуществляться в режиме "горячей" замены за минимальное время. Для крупных объектов типа ТЭС по нормативным документам это время составляет в среднем не более 30 минут [3].

     Повышенные  требования к устойчивости функционирования

     Это требование очень часто ускользает из внимания многих разработчиков и  поставщиков технических средств  автоматизации. Зато оно хорошо понятно  любому, кто занимался наладкой и  вводом объектов в эксплуатацию. Речь идет прежде всего об отсутствии корреляций между функциями при их реализации в микропроцессорных средствах автоматизации. Любая модификация части программ не должна вносить возмущения в остальные действующие программы, в которых не производятся модификации - то есть модификация одних не должна менять временные характеристики выполнения других программ, логики их функционирования, приоритетность выполнения и т.д. В противном случае, наладка функционирования крупного объекта может превратиться в неразрешимую задачу.

     Архитектура контроллера, адекватного  объекту автоматизации

     Итак, сформулированы основные требования к  свойствам систем и контроллерного оборудования, которые должны быть учтены при автоматизации крупных  неоднородных объектов типа ТЭС и ряда других.

     Без учета сформулированных выше требований, между объектом и средствами его  автоматизации возникнут структурные  и функциональные несоответствия.

     Для того, чтобы избежать несоответствий, архитектура системы автоматизации  и контроллерного оборудования должна быть адекватной функционально-технологической структуре объекта автоматизации.

     Анализ  архитектур контроллеров с параллельной шиной

     Проанализируем  на сколько контроллеры с классической модульной архитектурой и параллельной шиной соответствуют требованиям систем автоматизации.

     Охарактеризуем  основные свойства большинства классических контроллеров:

1. классический контроллер образуется набором модулей, установленных в каркас (крейт) и объединенных традиционной параллельной шиной;
2. контроллер имеет один (очень редко несколько) модуль центрального процессора, взаимодействующего с остальными модулями контроллера через параллельную шину;
3. остальные модули выполняют в контроллере функции устройств сопряжения с объектом (УСО) или другие вспомогательные функции;
4. все модули, кроме процессорного, не являются интеллектуальными;
5. взаимодействие между модулями осуществляется на уровне циклов обращений микропроцессора к внутренним регистрам и ячейкам памяти модулей;
6. взаимодействие по параллельной шине характеризуется высокими скоростями передачи;
7. относительно высокое число каналов в контроллере.

     Адекватность функционально-технологической структуре объекта. Из опыта проектирования реальных объектов и анализа различных проектов, объем ФУ составляет в среднем порядка 50 каналов [2]. С этой точки зрения использование традиционных контроллеров вполне возможно. Модульность позволяет скомпоновать контроллеры с необходимым объемом каналов и процессорной производительностью, развитые сетевые средства без труда позволяют объединить их в единую систему и т.д., но при практической реализации возникают некоторые проблемы:

1. для традиционных универсальных контроллеров число каналов равное 50 не оптимально с точки зрения стоимости. Обычно они обслуживают несколько сотен каналов, тогда стоимость общесистемной части контроллера (крейта, источников питания, процессорного модуля и т.д.) распределяется по большому числу каналов и вклад системной части в среднюю стоимость канала минимален. Поэтому, если объем каналов в традиционном контроллере уменьшить до требуемого (в среднем 50 каналов), то средняя стоимость канала и системы в целом возрастет более чем в два раза;
2. можно попытаться использовать более простые и соответственно дешевые традиционные контроллеры с меньшим числом каналов, например PLC-контроллеры, но тогда вы имеете ряд ограничений по функциональным возможностям, производительности процессора и т.д., которые сделают невозможным решение сложных или нестандартных задач.

     Таким образом, и в одном и в другом случаях возникают несоответствия, приводящие - либо к существенному увеличению стоимости контроллерного оборудования в системе из-за дорогостоящей общесистемной части, не позволяющей масштабировать контроллеры в широком диапазоне обслуживаемых каналов, либо к существенному ограничению функциональных возможностей контроллеров.

     Повышенные  требования к надежности. Традиционные контроллеры с параллельной шиной не имеют каких либо архитектурных решений, повышающих их надежность. Надежность традиционных контроллеров сегодня обеспечивается только экстенсивным способом - за счет высокого качества производства электронного оборудования. С архитектурной точки зрения, параллельная шина является центральным системным элементом с крайне высокой потенциальной ненадежностью. Она содержит десятки сигналов к которым подключаются все модули контроллера своими активными интерфейсными элементами (шинными приемо-передатчиками). Отказ любого элемента, при котором нарушатся электрические характеристики хотя бы одного сигнала может привести к выходу из строя всего контроллера. При этом практически невозможно диагностировать такую неисправность, так как при подобном отказе может полностью нарушиться функционирование контроллера.

     Быстрое восстановление функций. В традиционных контроллерах многие единичные отказы могут привести к отказу всего контроллера. В этих случаях возможна только полная замена на новый полностью аналогичный контроллер. Подобную замену быстро произвести трудно - она потребует много времени.

     Высокая сложность процедуры замены требует дополнительного тестирования нового контроллера после замены перед тем, как ввести его в эксплуатацию, что зачастую невозможно ввиду особенностей эксплуатации реальных технологических объектов. Иными словами восстановление традиционного контроллера, в общем случае, возможно только в масштабах ремонтных работ. Для ряда объектов, например ТЭС, ремонтные работы по вине системы управления недопустимы.

     Повышенные  требования к устойчивости функционирования. Это требование может быть выполнено только при условии компоновки небольших контроллеров, соответствующих объемам функциональных технологических узлов. В противном случае, при выполнении большого числа сложных программ на одном процессорном устройстве в многозадачном режиме возможно взаимовлияние программ.

     Это может приводить к неустойчивому  функционированию прикладного программного обеспечения. Выяснение причин подобных сбоев является наиболее сложной  задачей в программировании и  ее сложность растет экспоненциально  с ростом объема программы.