Рис. 5.1 Масштабируемая архитектура СДУСД

Масштабируемая (расширяемая) архитектура открытых СДУСД предоставляет им возможности не только собственного неограниченного роста (посредством добавления большого количества рабочих станций и серверов для поддержки сотен ЛБУ, сотен тысяч передающих цифровых и аналоговых точек и миллионов распределенных цифровых и аналоговых точек), но и создания (развития) на их основе систем управления генерацией энергии, управления энергией, управления распределением энергии и управления нагрузкой (посредством добавления серверов и модулей программного обеспечения, реализующих соответствующие функции) (Рис. 5.1).

Чтобы добиться поставленных задач, необходимо использовать для автоматизации систем управления современные технологии и микропроцессорные средства автоматизации.

5.2 Микропроцессорные средства автоматизации и диспетчеризации СЭС

5.2.1 Основные виды микропроцессорных средств автоматизации

Программно-аппаратная реализация системы автоматизации контроля и управления электроснабжения имеёт ряд особенностей, в первую очередь с позиции требуемой распределенности, быстродействия и параметров устройств связи с объектом.

Сложилось так, что сигналы выводились ото всех датчиков на щиты управления - блочные, групповые, местные. Там же размещались контрольно-измерительные приборы, устройства защиты, регуляторы, ключи управления. Соответственно и формировалась структура АСУТП, когда на щитах управления располагались программируемые контроллеры (Рис. 5.2), включая модули ввода - вывода устройств связи с объектом, и велось централизованное управление основным и вспомогательным технологическим оборудованием. В последнеё время ситуация несколько меняется. Все чаще применяется установка контроллеров, объединённых в локальную вычислительную сеть (ЛВС).

Рис. 5.2. Контроллеры для систем автоматизации

Устройства релейной защиты и автоматики (РЗА), измерительные приборы и ключи управления максимально приближены к объектам, т.е. находятся в самих распределительных устройствах (РУ). В ряде случаев последние отстоят на сотни метров и даже на километры от главных или центральных щитов управления. Для электрической части характерно такая идеология управления и регулирования, когда к централизованным задачам относятся, в основном, лишь автоматическое регулирование частоты и мощности, групповое управление возбуждением генераторов и противоаварийная автоматика, а устройства РЗА выполненные в виде отдельных локальных устройств. Следовательно, микропроцессорное устройство системы контроля и управления электрической части должны иметь не только функциональную, но и территориальную распределённость.

Программно-технические комплексы (ПТК) для тепловой части выпускают в мире десятки производителей. Имеются развёрнутые производства в России, в том числе и отечественные разработки. Для электрической же части выбор ПТК, в составе которых присутствует полная гамма микропроцессорных устройств РЗА для электрических сетей всех классов напряжения, ограничен. Даже на европейских рынках доминируют лишь четыре системы фирм ABB,GEC Alsthom, Merlin Gerin, Siemens.

Микропроцессорные устройства РЗА хотя и являются многофункциональными, однако работают по жёсткой логике. Помимо традиционных функций защиты, автоматических ввода резерва (АВР), повторного включения (АПВ) и частотной разгрузки (АЧР) они осуществляют регистрацию и осциллографирование событий, измерение электрических величин, самодиагностику. В ряде случаев в них встроены блоки схем управления коммутационной аппаратурой. Объём информации снимаемый в цифровом коде с рассматриваемых устройств, представителен.

Другие задачи реализуются на базе иных программно-аппаратных средств с использованием технологии открытых систем. Под понятием "открытая система" понимается совокупность таких свойств, как высокий уровень стандартизации, отсутствие патентного права, наличие значительного числа независимых поставщиков, процессорная независимость, масштабируемая производительность, широкий спектр приложений.

В структуре любой микропроцессорной системы контроля и управления присутствуют следующие основные составляющие: программируемые контроллеры; операционные системы реального времени; средства программирования контроллеров; локальные вычислительные сети; средства человеко-машинного интерфейса. Глобальная тенденция такова, что перечисленные элементы системы разрабатываются различными, независимыми, специализированными производителями. В этом случае каждый элемент полностью унифицируется. Рассмотрим возможности и характеристики PC- и PLC- контроллеров.

5.2.2 PC- контроллеры и их характеристики

Концепция открытой модульной архитектуры контроллеров - OMAC (Open Modular Architecture Controls) была выдвинута фирмой General Motors летом 1994 г. в документе, содержащем требования к контроллерам, использующимся в автомобильной промышленности.

Смысл OMAC-требований к контроллерам можно сформулировать в терминах, основные из которых представлены в названии архитектуры:

· Open (открытая) архитектура, обеспечивающая интеграцию широко распространённого на рынке аппаратного и программного обеспечения;

· Modular (модульная) архитектура, позволяющая использовать компоненты в режиме Plug & Play;

· Scaleable (масштабируемая) архитектура, позволяющая легко и эффективно изменять конфигурацию для конкретных потребностей;

· Economical (экономичная) архитектура, обеспечивающая невысокую стоимость жизненного цикла контроллерного оборудования;

· Maintainable (легко обслуживаемая) архитектура, выдерживающая напряженные условия работы в цехах и простая в ремонте и обслуживании (минимальное время простоя).

PC-контроллеры привлекают своей открытостью, т. е. с возможностью применять в АСУ ТП самое современное оборудование, только-только появившеёся на мировом рынке, причём оборудование для PC-контроллеров сейчас выпускают уже не десятки, а сотни производителей, что делает выбор уникально широким. Это очень важно, если учесть, что модернизация АСУ ТП идет поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет.

Пользователь АСУ ТП уже не находится во власти одного производителя, который навязывает ему свою волю и заставляет применять только его технические решения, а сам может сделать выбор, применяя те подходы, которые в данный момент его больше всего устраивают. Он может теперь применять в своих системах продукцию разных фирм, следя только, чтобы она соответствовала определенным международным или региональным стандартам.

Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.

Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что её архитектура является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. Данная файловая система была разработана с Учётом обеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-мажорном отключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-памяти, но файловая система не разрушится. После включения компьютера будет обеспечена нормальная работа системы. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает болеё чем один путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходят из строя и связь прекращается, то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это предоставляет пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивает скорость и надёжность коммуникаций во всей системе.

Следует отметить, что PC-контроллеры болеё экономически выгодны удобны, отличаются быстродействием, но пока не слишком надежны как PLC-контроллеры, на которые ориентируются большинство предприятий производителей АСКУЭ.

5.2.3 PLC- контроллеры и их характеристики

Роль контроллеров в АСУТП в основном выполняют PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболеё популярны в нашей стране PLC-контроллеры таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, и такие отечественные модели, как "Ломиконт", "Ремиконт", Ш-711, "Микродат", "Эмикон".

Программируемый логический контроллер (PLC) - устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления. Контроллер реализован на базе микропроцессорной техники и работает в локальных и распределённых системах управления в реальном времени в соответствии с набором программ. На сегодняшний день PLC, благодаря своей универсальности, решают широчайший круг задач и могут применяться в любых отраслях промышленности, в энергетике, металлургии, медицине, транспорте, сельском хозяйстве.

По функциональным признакам в PLC можно выделить следующие элементы:

- центральный процессор, предназначенный для выполнения команд (инструкций) управляющей программы и обработки данных, размещённых в памяти;

- память контроллера с жёстким распределением областей для размещения различных типов данных;

- модули ввода, обеспечивающие приём и первичное преобразование информации от датчиков объекта управления;

- модули вывода, предназначенные для выдачи управляющих сигналов на исполнительные устройства объекта управления.

По конструктивному исполнению PLC могут быть:

- блочного типа;

- модульного типа.

В отличие от множества существующих PLC, имеющих жесткую конфигурацию, модульная структура, позволяет гибко изменять конфигурацию, сокращать и наращивать число каналов В/В. Номенклатура модулей В/В перекрывает практически все потребности промышленной автоматизации. Это модули: дискретного ввода, дискретного вывода, релейного выхода, цифроаналоговые преобразователи по напряжению и по току, аналого-цифровые преобразователи по напряжению и по току, частотные входы, последовательные интерфейсы. В модулях предусмотрена оптическая изоляция системной части от объекта. В модулях аналогового ввода есть встроенные средства автокалибровки. Входы и выходы имеют защиту от перенапряжения и короткого замыкания. В модулях приняты меры по помехозащищённости.

В таких микропроцессорных системах используются специальные модули ввода-вывода, имеющие с одной стороны интерфейс с внутренней шиной контроллера, а с другой стороны -- несколько (обычно кратно восьми) каналов для подключёния внешних сигналов. Несмотря на широкое распространение такого решения, у него есть недостатки. Главный из них заключается в том, что центральный процессор вынужден заниматься не только задачами управления и сетевого взаимодействия, но и ввода-вывода. Причём алгоритмы работы с различными модулями ввода-вывода могут существенно отличаться друг от друга. Например, ряд модулей может использовать линии прерывания, другие требуют дополнительной настройки контроллера прямого доступа к памяти. В любом случае в такой системе должны присутствовать дополнительные программные компоненты -- драйверы модулей ввода вывода, специфичные для каждого типа примененных модулей.

Таблица 5.1. Сравнительные достоинства PLC- и PC-контроллеров

Программируемые логические контроллеры имеют по сравнению с РС контроллерами (Табл. 5.1.) ряд преимуществ: выполнение программ действительно в реальном времени, значительно упрощённая архитектура (и как следствие повышенная надёжность), преемственность. К недостаткам можно отнести необходимость наличия специализированного программного обеспечения и дополнительного обучения специалистов.

5.3 Обзор отечественных и зарубежных микропроцессорных средств автоматизации

На рынке микропроцессорных средств автоматизации представлено множество контроллеров для систем промышленной автоматизации.

PC-совместимый промышленный контроллер производства компания "Ниеншанц-Автоматика"(Россия) - "NZ-6000" (Рис. 5.3.). Контроллер предназначен для применения в отраслях, выдвигающих жесткие требования к эксплуатации оборудования. Наиболеё удачно контроллер применяется в энергетике. В настоящеё время изделие нашло применение на объектах "Ленэнерго".

Рис. 5.3. PC-совместимый промышленный контроллер NZ-6000

Рассмотрим основные технические параметры базовой модели. NZ-6000 имеёт ударопрочный влагонепроницаемый корпус со степенью защиты IP65, PC-совместимый встроенный компьютер, флеш-диск от 8 Мбайт, Ethernet, RS-485, слот для платы расширения PC-104, 4 слота для плат цифрового В/В и носителей субмодулей, позволяющих измерять до 32 каналов термопар, термосопротивлений, токовых или вольтовых сигналов.

Питание контроллера осуществляется от постоянного напряжения 9-36 В. Возможно питание NZ-6000 от источника бесперебойного питания, что позволяет применять его в необслуживаемых удалённых помещениях.

С точки зрения программиста, NZ-6000 представляет собой не что иное, как обычный PC, поэтому программировать его можно как с помощью традиционных языков программирования (C , Pascal, Basic и т.д.), так и с помощью языков логического программирования, например в ISaGRAF и ISaGRAF PRO.

Программируемые контроллеры фирмы Siemens - SIMATIC S7-300 (Рис. 5.4) -- это модульные процессоры для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность построения распределенных структур управления, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения SIMATIC S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации.

Рис.5.4 Программируемый контроллер SIMATIC S7-300

Основными областями применения контроллеров SIMATIC S7-300 являются: системы управления общего назначения; автоматизированные измерительные установки; системы управления электротехническим производством и другие.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9