Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i...

1

Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i funkcjonalność

nowoczesnego systemu sterowania rozproszonego.

2

Definicja DCS – Systemu Sterowania Rozproszonego (nie koniecznie

książkowa) jako układu sieci rozproszonych komputerów realizujących

kompleksowe sterowanie procesem, w czasie rzeczywistym. W

systemie istnieje jednolita baza danych punktów procesowych –

umożliwia ich identyfikację i dostęp każdego urządzenia do każdej

informacji.

3

Przykładowy rysunek jednego z DCS (z materiałów reklamowych) – tu

Experion Honeywell – generalnie wszyscy wiodący producenci obecnie

pokazują bardzo zbliżone schematy.

4

Przykład rysunku poglądowego systemu OVATION Emerson Process

Management (Westinghouse).

5

Funkcjonalność podstawowa systemu sterowania rozproszonego.

Rozpoczynając od procesu:

-DCS musi odczytać dane procesowe (scanować) po to aby na podstawie ich

obserwacji możliwe byłoby sterowanie procesem. W tej części funkcjonalności

zawieramy także przepływ informacji od systemu sterowania (DCS) do obiektu

(procesu) – sygnały sterujące zapewniające zmianę (działanie) elementów

wykonawczych (np.. Zawór) co w konsekwencji pozwala na uzyskanie

żądanych parametrów

-Sterowanie procesem – to „inteligencja systemu” – algorytmy sterowania

które pozwalają na wypracowanie sygnałów sterujących (przekazywanych

dalej do urządzeń wykonawczych) , w tej funkcjonalności mieścić będą się

także działania alarmowe (gdy niektóre wartości przekraczają zakładany

poziom i istnieje niebezpieczeństwo zagrożenia procesu) i zabezpieczenia

(czyli mówiąc praktycznie – automatyczne wyłączanie (zatrzymywanie)

procesu lub części urządzeń procesowych w momentach zagrożeń)

-Przepływ informacji do wszystkich części DCS zapewnia jest funkcjonalnością

oczywistą – widoczną od strony użytkownika w ten sposób że wszelkie

elementy składowe systemu DCS mają dostęp do danych (praktycznie mówiąc

poprzez sieciowość - networkig – połączenie tych elementów w sieć)

-Funkcje operatorskie – to kontakt operatora z procesem (i systemem)

poprzez funkcję jego stacji operatorskich (zarządzania procesem)

-Archwiwizacja danych to oczywiście rejestracja krótko i długoterminowa

danych procesowych oraz zdarzeń

-Funkcje inżynierskie pozwalają utrzymywać właściwy stan systemu – z jednej

strony nadzorują (i pozwalają modyfikować) jego konfigurację (na przykład

6

Funkcjonalność Systemu sterowania i nazwy poszczególnych części

składowych systemu je wypełniające :

-odczyt danych (a także przesył wielkości sterujących do organów

wykonawczych) – moduły I/O (Input / Output – Wejścia / Wyjścia)

-Sterowanie – sterowniki (zwane także przez niektórych producentów jako

stacje sterujące, stacje procesowe, jednostki sterowania rozproszonego czy

też kontrolery)

-Przepływ danych – magistrala (nic innego jak sieć komputerowa)

-Funkcje operatorskie – Stacja Operatorska (niektórzy nazywają to Konsola

Operatorska lub skrót anglojęzyczny OPCon) (silny komputer zazwyczaj z

dwoma monitorami – z praktyki operator dobrze radzi sobie z funkcjami

operatorskimi prezentowanymi na dwu monitorach), zwykle kilka stacji

operatorskich na blok energetyczny

-Archiwizacja – silny komputer zwany często Historianem lub Stacją

Archwiwizacji lub Rejestracji

-Funkcje inżynierskie – kolejny silny komputer (zwykle zabezpieczany – hasło ,

karta, klucz – dostęp tylko dla osób autoryzowanych do nadzorowania samego

systemu)

7

Powtórzenie wszystkich elementów. Kolejne slajdy przedstawią szczegóły

dotyczące każdego z tych urządzeń – z uwagi ze postęp komputerowy jest

bardzo szybki , producenci wprowadzają coraz lepsze urządzenia – na

kolejnych slajdach przedstawiono jako tzw. BAT – Best Avaiable Technology

(Najlepsza Dostępna Technologia) parametry jakie na dziś (koniec 2003 i

początek 2004) są najlepsze na rynku

8







też kontrolery)











systemu)

9

Moduły I/O – omówienie szczegółowe

Rozpatrując wejścia (dane procesowe odczytane z czujników pomiarowych) :

-w najprostszym podziale wyróżniamy analogowe (wielkości ciągłe

(temperatura, ciśnienie, przepływ, itp.) oraz binarne (dwustanowe)

(przyjmujące wartość 0 lub 1 (położenia klap, sygnał włączenia urządzenia,

itp.)

-Na slajdzie ilość sygnałów wejściowych przejmowanych przez jeden moduł

I/O (oczywiście im więcej tym lepiej bo mniejszy koszt całkowity dla całego

systemu) u najlepszych producentów

Rozpatrując wyjścia (sygnały sterujące przekazywane od systemu do

urządzeń wykonawczych):

-Analogicznie możemy przesyłać sygnał sterujący analogowy (np.. Ustaw

otwarcie zaworu na odpowiednią wartość procentową lub binarny – np..

Wyłącz dane urządzenie lub zamknij klapę)

-Ilość sygnałów wyprowadzonych z jednego modułu na slajdzie (jak wyżej im

więcej tym lepiej bvo potrzebujemy mniej modułów)

W nowoczesnym (dobrze opomiarowanym) bloku energetycznym (wielkości

200 MW) w chwili obecnej mamy do czynienia z ok. 1000-3000 sygnałów

(pomiarów) analogowych) i 3000 – 6000 sygnałów binarnych i kilkaset do kilku

tysięcy sygnałów sterujących – dzieląc te wartości przez dostępne ilości

sygnałów obrabianych przez jeden moduł otrzymujemy finalną liczbę modułów

I/O w systemie.

10

Przykład praktyczny – jak to wygląda w rzeczywistości.

Moduły I/O umieszcza się w tzw. szafach sterujących (cabinets) (to te dwa

pionowe rzędy w środku i na dole szafy (tu akurat po 8 w każdej z nich); u góry

dwa sterowniki (kontrolery); moduły I/O sa połączone z kontrolerami przez

szynę danych na której są osadzone (pod spodem). Szafy mają podwójne

zasilanie elektryczne i specjalistyczne chłodzenie.

11

Jak wyglądają moduły I/O cd. Z lewej strony moduły , szyna zaciskowa (dla

osadzania modułów) i jednocześnie połączenia z kontrolerami (sterownikami).

Nowoczesne DCS umożliwiają wyjmowanie pojedynczych modułów I/O z szaf

podczas pracy systemu – co szczególnie istotne dla sterowania procesami

ciągłymi (w przypadku awarii jednego modułu nie działają tylko dane pomiary i

za chwilę można zastąpić zły moduł nowym bez zatrzymywania procesu). Z

prawej strony jak wyglądają moduły bliżej (ten i poprzedni slajd to moduły

OVATION – Emerson (Westinghouse)) – producenci idą obecnie w kierunku

głębokiej standaryzacji – i tak w OVATION większość komponentów modułu

jest taka sama, typ modułu (wejściowy / wyjściowy, analogowy / binarny)

uzyskiwany poprzez zastosowanie specjalizowanej części (mały prostokąt z

lampkami najbardziej w prawo). Pomiary doprowadzane są bezpośrednio do

12

Połączenie sygnałów procesowych do modułu I/O – to rysunek z testów (!!) –

na obiekcie nigdy tak bałaganiarsko nie jest (lub przynajmniej nie powinno

być). Wszyscy producenci zapewniają obecnie bezpośrednie połączenie do

okablowania do modułów I/O łącznie ze specjalizowanymi zabezpieczeniami

(np.. Separacja galwaniczna – tzn ochrona modułu (jego elektroniki) przed

pojawieniem się wysokiego napięcia lub natężenia prądu). Jeszcze 10 lat temu

do połączenia pomiarów do systemów potrzebne były dodatkowe szafy (tzw.

krosowe). Ale i tak należy wyyobrazic sobie pracę jaką należy włożyć w

prawidłowe połączenie tysięcy kabli do odpowiednich modułów.

13

Szafa sterująca z modułami I/O w wykonaniu ABB. Bardzo podobny obrazek

jak poprzednie tylko inne loga producentów.

14

Kilka dodatkowych informacji o odczytywaniu danych procesowych.

•Obecnie (w większości) sam sygnał pomiarowy transmitowany jest (trasą

kablową) jako analogowy (zmienne natężenie prądu – standardem

przemysłowym jest zakres 4-20 mA) ale spotyka się także inne (można np..

przesyłać zmiany napięcia) – moduł I/O analizuje to i zamienia na wartość

cyfrową (liczbę) przesyłaną dalej do systemu

•Moduł I/O to elektronika (a więc za chwilę także procesory i właściwie

(dlaczego nie) mały komputer) realizuje więc coraz więcej funkcji które kiedyś

musiały realizować sterowniki a więc:

•Filtruja sygnały

•Same sprawdzają czy nie pojawia się błąd w pomiarze (np.. Zerwany

czujnik, zepsuty przetwornik)

•Przeliczają sygnał pomiarowy (funkcje arytmetyczne a obecnie także i

termodynamiczne) – np. przy pomiarze przepływu konieczne jest

pierwiastkowanie a także korekcja uwzględniająca aktualne parametry

czynnika (ciśnienie , temperatura)

•Z uwagi na coraz większe możliwości modułów, coraz więcej elektroniki i

funkcji jest do nich wbudowywane i od kilku lat mamy do czynienia z rewolucja

w dziedzinie urządzeń pomiarowych (pojawienie się tzw. inteligentnych

urządzeń pomiarowych) – jest szereg nowych możliwości

•Jest standard HART umożliwiający przesyłanie (dalej po kablu

analogowym) oprócz samego sygnału mierzonego także dodatkowych

informacji o stanie czujnika i przetwornika

•Można jednak iść znacznie dalej (co się właśnie robi) i rezygnować z

transmisji analogowej (od czujnika poprzez przetwornik do modułu I/O)

na rzecz cyfrowej (praktycznie niech to będzie sieć komputerowa)

•Czujniki mają wbudowany mikroprocesor i komunikują się po

15

Problem (wcale nie banalny) nazewnictwa punktów w bazie danych systemu

sterowania.

Zwykle na bloku energetycznym (systemie sterowania) jest już od kilkunastu

do kilkudziesięciu tysięcy punktów gdzie dobre kilka tysięcy to pomiary.

Stosując dowolne (lub przypadkowe) nazewnictwo tych punktów prowadzimy

do chaosu (warto jest po identyfikatorze punktu wiedzieć od razu co on

oznacza (co mierzy) i gdzie jest zlokalizowany. Z uwagi na to zapotrzebowanie

powstały systemy nazewnictwa wśród których najbardziej popularny jest KKS

(Kraftwerk Kennzeichen System) – przykład na slajdzie. Całość probelmu jak

dzielić blok energetyczny na podukłady i jak nazywać poszczególne pomiary

jest dość skomplikowany ale zasady KKS w miarę dobrze je opisują.

16







też kontrolery)











systemu)

17

Sterowniki (Kontrolery, stacje procesowe, jednostki sterowania rozproszonego)

to nic innego niż komputery (dawniej specjalizowane wykonywane przez

każdego producenta systemu na specjalne zamówienie; obecnie składane ze

standardowych płyt (najczęściej PC)). Komputery wyposażone są w systemu

czasu rzeczywistego (real time) i realizują algorytmy sterowania i regulacji.

Obecnie (jak widać) są to już typowe PC z procesorami jak na slajdzie.

Aktualnie w systemie Ovation (Emerson) stosuje się procesory:

Intel Pentium (OCR161) 161 MHz/64MBDRAM (64MB Flash RAM)

Celeron (OCR400) 400 MHz/64MBDRAM (128MB Flash RAM)

18

Szafa sterująca (kontrolery w kółku) w wykonaniu METSO; obok z prawej

eDNA (METSO) moduły I/O

19

Analogicznie w wykonaniu Siemens

20

Kontroler systemu Ovation firmy Emerson. Przykład specjalizowanego

kontrolera (wykonanie producenta - kontroler redundowany – podwojony). Po

prawej to samo w starszej wersji OVATION.

21

TO co każdy sterownik (kontroler) kryje w środku – płyty główne PC a obok

sloty w których będą kryły się karty sieciowe (Ethernet) (dołem dołączona

magistrala (sieć Fast Ethernetowa). Całość budowana ze standardowych

elementów dostępnych na rynku (aczkolwiek zwykle lepszej jakości niż

składaki – lepsze testowanie i gwarancje). Osiągi procesora limitowane sa

procesem testowania oprogramowania firmware (bazowego systemu) – nie

można wypuścić kontrolera z lepszym procesorem bez skomplikowanych

testów że oprogramowanie działa bez zarzutu.

Specyfikacja kontrolerów OCR 400 systemu Ovation firmy Emerson, jako

przykład współczesnych możliwości kontrolerów DCS.

22

23







też kontrolery)











systemu)

24

Magistrala systemowa to połączenie wszystkich elementów (w zasadzie

komputerów) w sieć. Dawniej (do lat 90-tych) były to specjalizowane

deterministyczne protokoły (np. Westinghouse WPF Westnet) , potem

kosztowne protokoły deterministyczne rynkowe (jak FDDI) a obecnie wszyscy

producenci praktycznie stosują Ethernet w wykonaniu tzw. przemysłowym co

znaczy Fast Ethernet (obecnie już nawet 1 GB/s) z dodatkowymi próbami

podwyższenia niezawodności – Fault Tolerant Ethernet.

Na dole slajdu wymiary (maksymalne) obecnego systemu sterowania – jak

widać możliwe sa już systemu obejmujące do 500 000 punktów (śa to punkty

w bazie danych systemu , samych procesowych (z praktyki) może być nieco

mniej ale wielkośći około 100 – 200 tys wydają się już możliwe)

25

Dawna magistrala deterministyczna (Westnet) w wykonaniu kabla

koncentrycznego (system WDPF)

26

Magistrala obecnie – typowy Ethernet z urządzeniami przyłączającymi.

27

Reklamowane prze Emerson możliwość wyższej niezawodności struktury

pierścieniowej – nawet w przypadku przecięcia dwu magistral (zawsze są dwie

– podstawowa i zapasowa) jest możliwość zamknięcia pętli przez najbliższe

urządzenia przyłączające – czyli utrzymania systemu w działaniu. Osobiście

nigdy nie testowałem takiego przypadku więc nie wiem jak zadziała to

praktycznie

28

Producenci zazwyczaj stosują dwie magistrale (sieci) – jedną łączącą

sterowniki (tzw. sterująca Control lub czasami zwana też Field – co może być

mylące bo field toż może odnosić się do sieci łączącej inteligentne urządzenia

pomiarowe) oraz tzw. Operatorską (łącząca stacje operatorskie) – to w celu

zmniejszenia obciążenia i przede wszystkim gwarantowania działania

sterowników (kontrolerów). Z kolei niektórzy (Westinghouse) stosują z

powodzeniem architekturę pierścieniową jednostopniowa (wszystkie

urządzenia do jednej magistrali) co wydaje się być bardziej elastyczne i

sprzętowo niezawodne pod warunkiem posiadania stabilnego

oprogramowania.

29

Networking – sieciowanie – obecne systemy sterowania DCS to coraz więcej

typowych sieci komputerowych i problemów z tym związanych. U górze (po

lewej) na stanowisku testowym po prawej i potem na dole finalnie jak

zamocowane na obiekcie.

30







też kontrolery)











systemu)

31

Stacje operatorskie pozwalają operatorom na komunikowanie się z procesem.

Ze sprzętowego punktu widzenia to (obecnie) silne komputery (ale

standardowe) zazwyczaj mocne PC albo maszyny typu SUN.

32

Przykład jednomonitorowej (choć zazwyczaj są dwa) stacji Symhony ABB.

Głównym narzędziem pracy operatora jest mysz i klawiatura.

33

Ewolucja WDPF -> Ovation. Stacje Unixowe (Westinghouse WDPF) –

workstation (jak je wówczas nazywano) SYN

34

Ewolucja WDPF -> Ovation. Stacja OVATION (system Emerson) dziś –

typowa silna maszyna SUN (tu na stanowisku testowym). W elektrowni

dodatkowo wyposażona zostanie w drugi ekran i prawdopodobnie wbudowana

w panel sterowania.

35

Ewolucja WDPF -> Ovation. Dwumonitorowa stacja OVATION – pod Windows

XP

36

Współczesne stanowiska operatorskie. Monitory stacji operatorskich czasami

uzupełniane są wyświetlaczami wielkoformatowymi. Systemy Emerson i ABB.

37

Grafiki operatorskie dawnego typu (lata 90-te)

38

Współczesne grafiki systemu Ovation (Emerson) na SUN Solaris i Windows

XP

39

Sposoby alarmowania w systemach sterowania. Zazwyczaj każda wielkość

ma kilka poziomów wartości dopuszczalnej – przekroczenie każdego z nich

generuje alarm o danym priorytecie.

Wszystkie alarmy wyświetlane są na specjalnych listach alarmowych – znikają

dopiero po potwierdzeniu (klikniecie myszą) przez operatora.

Zabezpieczenia (automatyczne wyłączanie urządzeń) i blokady (zakazy

uruchamiania urządzeń) są swobodnie programowane na zasadzie

wypełniania warunków (osiągniecie danej wartości przez jedną lub więcej

zmiennych procesowych) lub pojawiania się alarmów.

40

W przypadku alarmowania związanego z punktami analogowymi zwykle

wprowadzana jest mała strefa nieczułości (na dole) w okolicy wartości

dopuszczalnej po to aby dana wielkość nie generowała dużej ilości alarmów w

przypadku oscylacji na granicy dopuszczalnej.

42

Okno – lista alarmów. System Ovation (Emerson) na Windows XP

43







też kontrolery)











systemu)

44

Stacja inżynierska to kolejny komputer (standardowy) zarządzający sprzętem

systemu DCS, jego oprogramowaniem wewnętrznym oraz oprogramowanie

grafik i algorytmów sterowania

45

Oprogramowanie narzędziowe (system Delta V firmy Emerson) do

przygotowania algorytmów sterownia. Wszystkie obecne tego typu

oprogramowanie bazuje na predefiniowanych blokach funkcjonalnych (jednym

z nich na obrazku jest regulator PID) i następnie tworzeniu arkusza metodą

drag and drop (pociągnij i upuść)

46

Analogicznie w przypadku systemów ABB (Industrial)

47

Teraz przykład oprogramowania do tworzenia układów regulacji z OVATION

(Westinghouse Emerson) zbudowanego z wykorzystaniem AutoCad-a. W

każdym przypadku budowa za pomocą oprogramowania graficznego

przygotowuje gotowy kod do załadowania do sterownika (kontrolera). W

większości systemów można śledzić jego wykonywanie na bieżąco (widzieć

on-line punkty procesowe i wielkości sterujące) i modyfikować on-line (jeśli ma

się do tego uprawnienia). W przypadku tego oprogramowania automatycznie

jest też generowana dokumentacja w formacie AutoCad.

48

Oprogramowanie Control Builder OVATION 3.1.2 (Emerson) nie

wykorzystujące AutoCad-a. Narzędzie wyposażone w możliwość publikacji

dokumentacji w formacie PDF.

49

Oprogramowanie do budowy grafik synoptycznych (Delta V). Przypomina

typowe edytory graficzne.

50

Oprogramowanie do budowy grafik synoptycznych systemu Ovation

(Emerson)

51

Sposób przygotowywania i załadowanie oprogramowania ze stacji

inżynierskich. Na nich (dzięki oprogramowaniu producenta) przygotujemy kody

grafik lub algorytmów które potem załadowywane są do stacji operatorskich

(grafiki, sterowanie operatorskie) lub kontrolerów (algorytmy sterowania)

52

Stacja archiwizacji (Historian) to kolejny silny komputer , zwłaszcza z dużym

dyskiem i (czasami) możliwościami składowania danych na urządzeniach

zewnętrznych (dyski optyczne, CD, streamery, itp.)

53

Przykład trendu historycznego - system Ovation (Emerson)

Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i...

Documents

Transcript of Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i...