Архитектура автоматизированной системы

Автоматизированная система необходима для того, чтобы облегчить труд человека, расширить его функциональные возможности или заменить полностью, если это возможно. Поэтому архитектура систем автоматизации во многом напоминает строение человека: роль органов чувств выполняют датчики, роль рук, ног и органов речи - исполнительные устройства, роль мозга - компьютер или контроллер. Благодаря такой аналогии архитектура системы автоматизации становится понятной любому человеку на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, технического сопровождения, и т. п., которым мы и решили посвятить эту статью.
В данной статье рассмотрены только самые общие (архитектурные) принципы построения систем промышленной и лабораторной автоматизации.

Разновидности архитектур

Существует огромное разнообразие датчиков (температуры, влажности, давления, потока, скорости, ускорения, вибрации, веса, натяжения, частоты, момента, освещенности, шума, объема, количества теплоты, тока, уровня и др.), , которые преобразуют физическую величину в электрический сигнал. Если параметры сигнала не согласуются с параметрами входа аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или не соответствует стандарту (например, входной величиной АЦП является напряжение в диапазоне 0...10 В, а датчик (термопара) имеет выходное напряжение в диапазоне от 0 до 100 мВ), то используют измерительный преобразователь, который обеспечивает нормализацию сигнала датчика (приведение к стандартным диапазонам изменения, обеспечение линейности, компенсацию погрешности, усиление и т. п.). Измерительные преобразователи обычно совмещают с модулями аналогового ввода.

Измерительные преобразователи могут иметь встроенный АЦП или ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), а также микропроцессор для линеаризации характеристик датчика и компенсации погрешностей аналоговой части системы. В последнее время получили распространение цифровые датчики, объединяющие в себе первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал, измерительный преобразователь и АЦП.

Для ввода в компьютер аналоговых сигналов служат модули аналогового ввода. Модули ввода могут быть общего применения (универсальные) или специализированные.

Кроме модулей аналогового ввода широко распространены модули дискретного ввода, которые не содержат АЦП и позволяют вводить сигналы, имеющие два уровня (например, сигналы от концевых выключателей, датчиков открывания двери, пожарных датчиков, охранных датчиков движения и т. п.). Уровни входных сигналов модулей дискретного ввода могут изменяться в диапазоне, как правило, 0...24 В или 0..220 В. Модули с входом 220 В используются, например, для регистрации наличия напряжения на клеммах электродвигателя или нагревательного прибора.

Отдельное место занимают устройства счетного ввода, которые имеют дискретный вход и позволяют считать количество или частоту следования импульсов. Их используют, например, для измерения скорости вращения вала электродвигателя или подсчета продукции на конвейере.

Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Коммуникации между компьютером и устройствами ввода-вывода выполняются через последовательные интерфейсы, например, USB, CAN, RS-232, RS-485, RS-422, Ethernet или параллельный интерфейс LPT. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI или ISA. Достоинством плат является возможность получения высокой пропускной способности каналов ввода-вывода (свыше 10 Мбит/с), что трудно достижимо при использовании внешних устройств с последовательным портом. Недостатком является более высокий уровень электромагнитных наводок от компьютера и конструктивные ограничения на количество каналов ввода-вывода.
В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows CE, QNX).

В последнее время наметилась тенденция стирания грани между компьютером и контроллером. С одной стороны, контроллеры (к примеру WinCon фирмы ICP DAS) позволяют подключить монитор, мышь и клавиатуру, с другой стороны, появилось большое количество промышленных компьютеров, которые имеют специальное конструктивное исполнение и другие свойства, характерные для контроллеров. В связи с этим в дальнейшем мы будем употреблять термины "компьютер", и "контроллер" как синонимы, и это будет ясно из контекста.

Устройства вывода (модули вывода) позволяют выводить дискретные, частотные или аналоговые сигналы. Дискретные сигналы используются, например, для включения электродвигателей, электрических нагревателей, для управления клапанами, фрамугами, насосами и другими исполнительными устройствами. Частотный сигнал используется обычно для управления средней мощностью устройств с большой инерционностью с помощью широтно-импульсной модуляции.

Требования к архитектуре.

Архитектура автоматизированной системы - это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонентов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Элементы* архитектуры находятся во взаимосвязи, образуя единую автоматизированную систему и обеспечивая решение поставленной задачи автоматизации на архитектурном уровне. В то же время архитектура оставляет достаточно свободы для выбора конкретных технических решений [Клир]. Поэтому правильно спроектированная архитектура допускает множество технических реализаций путем выбора различных компонентов архитектуры и методов взаимодействия между ними.

Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации.

Архитектуру создает архитектор. Основным требованием к архитектору является знание предметной области (принципов функционирования объекта автоматизации) и знание технических характеристик аппаратных и программных средств, используемых для построения системы.

При построении архитектуры должны быть заложены следующие свойства будущей автоматизированной системы:
слабая связанность элементов архитектуры между собой (т. е. декомпозицию системы на части следует производить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались контуры автоматического регулирования);
тестируемость (возможность установления факта правильного функционирования);
диагностируемость (возможность нахождения неисправной части системы);
ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта);
надежность (например, путем резервирования);
простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала);
безопасность (соответствие требованиям промышленной безопасности и технике безопасности);
защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользователей;
экономичность (экономическая эффективность в процессе функционирования);
модифицируемость (возможность перенастройки для работы с другими технологическими процессами);
функциональная расширяемость (возможность ввода в систему дополнительных функциональных возможностей, не предусмотренных в техническом задании);
наращиваемость (возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации);
открытость;
возможность переконфигурирования системы для работы с новыми технологическими процессами;
максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов;
минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы.

Архитектура системы может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации. Такими задачами могут быть:
мониторинг (продолжительные измерение и контроль с архивированием полученной информации);
автоматическое управление (в системе с обратной связью или без нее);
диспетчерское управление (управление с помощью человека-диспетчера, который взаимодействует с системой через человеко-машинный интерфейс);
обеспечение безопасности.

Любая из перечисленных задач может выполняться на большом расстоянии между объектом автоматизации и системой. В этом случае говорят о задачах телемеханики (дистанционные измерение, управление, сигнализация). Однако, в связи с тем, что каналы дистанционной связи (интернет, радиоканал, оптико-волоконный канал, проводной канал) органично входят практически в любую систему автоматизации, задачу телемеханики все реже выделяют как самостоятельную.

Построение любой АСУ начинается с декомпозиции (деления на части) системы на подсистемы. Декомпозиция может быть функциональной (алгоритмической) или объектной.

При объектной декомпозиции используются распределенные системы управления, когда каждый объект автоматизации оборудуется локальным технологическим контроллером, решающим задачи в пределах этого объекта. При функциональной декомпозиции систему автоматизации делят на части, группируя сходные функции, и для каждой группы функций используют отдельный контролер. Оба вида декомпозиции могут быть использованы совместно. Выбор способов декомпозиции является творческим процессом и во многом определяет эффективность будущей системы.

Объектная декомпозиция объекта автоматизации используется в современных SCADA-пакетах, см., например [Аблин]. Она аналогична объектной декомпозиции, используемой в объектно-ориентированном программировании (ООП), основными признаками которой являются абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархическая организация. Классам ООП соответствуют контроллеры (ПЛК), объектам - контроллеры с заданными свойствами (параметрами), инкапсуляция соответствует сокрытию конкретной реализации; благодаря инкапсуляции существенно упрощается структура системы с точки зрения системного интегратора и тем самым уменьшается количество возможных ошибок. Модульность обеспечивается модульностью аппаратного обеспечения системы, иерархичность естественным путем вытекает из требований заказчика.

Независимо от метода декомпозиции, основным ее результатом должно быть представление системы в виде набора слабо связанных частей. Слабая связь между частями системы означает отсутствие между ними обратных связей или малость модуля петлевого усиления при наличии таких связей, а также отсутствие интенсивного обмена информацией.

Программные модули, реализующие отдельные функции в разных контроллерах, могут взаимодействовать между собой по промышленной сети с помощью технологии СОМ фирмы Microsoft, CORBA консорциума OMG или SOAP консорциума W3C. Для разработки заказного программного обеспечения распределенных систем управления используют специальную среду разработки систем реального времени или стандартное программное обеспечение на основе технологии DCOM фирмы Microsoft.

Простейшая система

Система в зависимости от ее назначения и программного обеспечения может быть системой сбора данных, системой диспетчерского или автоматического управления, системой контроля, испытаний, диагностики и т.д. Это простейший вариант автоматизированной системы, построенной на основе одного компьютера, устройств ввода-вывода, датчиков и исполнительных устройств (актуаторов).

Датчики подсоединены к одному многоканальному измерительному преобразователю. Однако различные типы датчиков могут требовать различных типов преобразователей или работать вообще без них. Некоторые типы интеллектуальных датчиков имеют интерфейс RS-485 и могут подключаться непосредственно к компьютеру (контроллеру).

Системы мониторинга (наблюдения) за физическими процессами не содержат исполнительных устройств или используют электромагнитные (реже полупроводниковые) реле для коммутации измерительных цепей.

Обычный офисный компьютер в стандартной конфигурации имеет два порта USB, один СОМ-порт, один принтерный порт LPT и порт Ethernet, который появляется после установки в компьютер Ethernet-платы. Количество USB портов можно увеличить с помощью USB хабов, а количество COM-портов - с помощью преобразователя USB в COM. Промышленные компьютеры и контроллеры обычно имеют несколько портов RS-485, RS-422 и оптоволоконный порт. Для применения оптического канала с офисным компьютером к нему можно подключить оптоволоконный преобразователь интерфейса. Все перечисленные порты можно использовать для обмена информацией межу компьютером и внешними устройствами.

Для увеличения дальности передачи сигнала по линии связи до 1, 2 км можно использовать преобразователи интерфейсов RS-232 в RS-485 или RS-422, а также интерфейс «токовая петля» .

Внешние устройства, не имеющие гальванически изолированного порта, обычно подключают к компьютеру через изолирующие преобразователи интерфейсов, которые защищают компьютер от случайного попадания высокого напряжения в случае аварии или небрежного обращения.

Если к компьютеру необходимо подключить еще одно устройство, а свободных портов не осталось, то можно использовать разветвители интерфейсов. Распространены разветвители интерфейсов USB (их еще называют хабами) и RS-232. Устройство, имеющее интерфейс RS‑232, можно подключить к USB порту компьютера, если использовать преобразователь USB в RS-232.

К компьютеру могут быть подключены не только специализированные модули ввода-вывода, но и многие измерительные приборы широкого применения.

Типовыми применениями описанной системы может быть домашняя автоматизация, испытательный стенд для тестирования серийной продукции, лабораторные работы в ВУЗе, локальное управление технологическим процессом, контроль температуры в теплице или элеваторе.

Многоуровневая архитектура автоматизированной системы
Например, при использовании системы с архитектурой, показанной на рисунке, температуру в теплице или в силосах элеватора одновременно могут наблюдать дежурный оператор, главный инженер и директор хозяйства