Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i funkcjonalność nowoczesnego systemu sterowania rozproszonego.

Transkrypt

1 Wykład ma za zadanie prezentować architekturę i funkcjonalność nowoczesnego systemu sterowania rozproszonego. 1

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. 2

3 Przykładowy rysunek jednego z DCS (z materiałów reklamowych) tu Experion Honeywell generalnie wszyscy wiodący producenci obecnie pokazują bardzo zbliżone schematy. 3

4 Przykład rysunku poglądowego systemu OVATION Emerson Process Management (Westinghouse). 4

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 5

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) 6

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 7

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 sygnałów (pomiarów) analogowych) i 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. 9

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. 10

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 11

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. 12

13 Szafa sterująca z modułami I/O w wykonaniu ABB. Bardzo podobny obrazek jak poprzednie tylko inne loga producentów. 13

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) 14

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. 15

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) 17

18 Szafa sterująca (kontrolery w kółku) w wykonaniu METSO; obok z prawej edna (METSO) moduły I/O 18

19 Analogicznie w wykonaniu Siemens 19

20 Kontroler systemu Ovation firmy Emerson. Przykład specjalizowanego kontrolera (wykonanie producenta - kontroler redundowany podwojony). Po prawej to samo w starszej wersji OVATION. 20

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. 21

22 Specyfikacja kontrolerów OCR 400 systemu Ovation firmy Emerson, jako przykład współczesnych możliwości kontrolerów DCS. 22

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 punktów (śa to punkty w bazie danych systemu, samych procesowych (z praktyki) może być nieco mniej ale wielkośći około tys wydają się już możliwe) 24

25 Dawna magistrala deterministyczna (Westnet) w wykonaniu kabla koncentrycznego (system WDPF) 25

26 Magistrala obecnie typowy Ethernet z urządzeniami przyłączającymi. 26

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 27

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. 28

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. 29

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. 31

32 Przykład jednomonitorowej (choć zazwyczaj są dwa) stacji Symhony ABB. Głównym narzędziem pracy operatora jest mysz i klawiatura. 32

33 Ewolucja WDPF -> Ovation. Stacje Unixowe (Westinghouse WDPF) workstation (jak je wówczas nazywano) SYN 33

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. 34

35 Ewolucja WDPF -> Ovation. Dwumonitorowa stacja OVATION pod Windows XP 35

36 Współczesne stanowiska operatorskie. Monitory stacji operatorskich czasami uzupełniane są wyświetlaczami wielkoformatowymi. Systemy Emerson i ABB. 36

37 Grafiki operatorskie dawnego typu (lata 90-te) 37

38 Współczesne grafiki systemu Ovation (Emerson) na SUN Solaris i Windows XP 38

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. 39

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. 40

41 Okno lista alarmów. System Ovation (Emerson) na Windows XP 42

43 Stacja inżynierska to kolejny komputer (standardowy) zarządzający sprzętem systemu DCS, jego oprogramowaniem wewnętrznym oraz oprogramowanie grafik i algorytmów sterowania 44

44 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) 45

45 Analogicznie w przypadku systemów ABB (Industrial) 46

46 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. 47

47 Oprogramowanie Control Builder OVATION (Emerson) nie wykorzystujące AutoCad-a. Narzędzie wyposażone w możliwość publikacji dokumentacji w formacie PDF. 48

48 Oprogramowanie do budowy grafik synoptycznych (Delta V). Przypomina typowe edytory graficzne. 49

49 Oprogramowanie do budowy grafik synoptycznych systemu Ovation (Emerson) 50

50 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) 51

51 Stacja archiwizacji (Historian) to kolejny silny komputer, zwłaszcza z dużym dyskiem i (czasami) możliwościami składowania danych na urządzeniach zewnętrznych (dyski optyczne, CD, streamery, itp.) 52

52 Przykład trendu historycznego - system Ovation (Emerson) 53

53 54