Логическое резервирование в системах промышленной автоматизации

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Л.С. Звольский
ЛОГИЧЕСКОЕ РЕЗЕРВИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Рассматривается подход к созданию схем логического резервирования структур в системах промышленной автоматизации, используемых для промышленных объектов с потенциально опасной спецификой реализуемых технологий. Показано, как с помощью новых конструкций устройств связи с объектом и организации локальной вычислительной сети выполняется логическое резервирование систем автоматизации.
Задачи повышения надежности управления промышленными объектами достаточно актуальны и требуют постоянного внимания и переосмысления с учетом развития современных информационных технологий, внедряемых в последнее время в различные сферы народного хозяйства [1−3].
Большинство предприятий с потенциально опасными технологиями (оборонные, нефтехимические, спец-химии и др.) создаются по схеме технологического разделения фаз производства. Рассредоточение зданий на производственной площадке обеспечивает безопасность ведения технологических процессов и сохранность зданий и сооружений, а также относительно быструю восстанавливаемость всего технологического процесса в случае форс-мажорных обстоятельств (пожар, авария, взрыв). Для этого на каждой фазе технологического цикла выполняется лишь часть требуемых операций в целях получения промежуточного, логически законченного результата, например двухкомпонентной (полуфабрикатной) смеси промышленных взрывчатых веществ. Полученный полуфабрикат пере-
дается на следующую фазу производства, где осуществляется другая операция, например ввод детонирующих добавок и т. п., до тех пор, пока на выходе технологической цепочки не будет получен конечный продукт. Поэтому при практическом проектировании систем промышленной автоматизации (СПА) для подобных объектов первостепенное значение имеет такая логика построения систем автоматизации, которая могла бы обеспечить надежное управление процессом, по крайней мере, в течение всего технологического цикла.
Несвоевременное восстановление сбоев систем автоматизации или объектового оборудования при незаконченном процессе приводит к тому, что полученные на промежуточных фазах полуфабрикаты приходят в негодность из-за ограниченного времени службы, и их необходимо утилизировать, а процесс начинать заново.
При проектировании СПА для технологии, рассредоточенной в трех зданиях (например, А, В и С), проблему повышения надежности систем автоматизации зачастую решают с помощью создания 100% резервных структур для составных частей системы (рис. 1).
Резерв А
СПА (А)

ВС (А)
УСО (А)
ОУ (А)
Резерв В
СПА (В)
ВС (В)
УСО (В)
ОУ (В)
Резерв С
СПА (С)
ВС (С)
УСО (С)
ОУ (С)
М
Технологический процесс
КП
Рис. 1. Структура СПА для трех фаз производства: УСО — устройство связи с объектом-
ВС — вычислительная система- ОУ — объектовое оборудование- М — материалы- КП — конечный продукт
Нисколько не умаляя достоинств этих методов, следует заметить, что их реализация всегда связана с удвоением материальных затрат, так как любой резервный комплект осуществляется на аналогичных технических средствах. Кроме того, при увеличении числа фаз производства затраты значительно возрастают.
Анализ схем построения СПА и специфики выполнения описанной технологии (или подобной) показывает, что дискретный способ реализации процессов является характерной особенностью таких технологий. Это обстоятельство позволяет использовать такие схемы управления процессом, когда в ка-
честве резервного комплекса технических средств могут быть задействованы устройства из временно неработающих или уже отработавших фаз производства. Действительно, когда реализуется управление процессом (А), технические средства для управления процессами (В) и © не задействованы и с их помощью можно продолжить начатый и незаконченный по каким-либо причинам процесс на любой работающей в данный момент времени фазе. Однако при таком способе необходимо, чтобы системы автоматизации на логическом уровне «не различали» подмены объектового оборудования, а процессы инфор-
мационного обмена между УСО и управляемым оборудованием были идентичны для объектов А, В и С.
Данный подход возможен при использовании особой конструкции УСО и таком формализованном информационном обмене с ОУ, при котором процессы управления оборудованием рассматриваются как потоки примитивных сигналов с «предсказуемой» функцией реализации.
Анализ информационных потоков, выполненный авторами на ряде аналогичных действующих производств, показывает, что до 70% сигналов управления ОУ представляют собой сигналы с дискретной физической природой. Тогда для таких сигналов в любой момент времени выполняется соотношение С1 (?)=Те, (/), где I = 1, 2,…, п, а Т- это оператор перехода, или Булева функция преобразования, реализуемая примитивной единицей объектового оборудования, которая на воздействие любого входного сигнала С1 формирует предсказуемый выходной сигнал е, в любом сколь угодно малом «дискрете» интервале времени. Для современных технических и вычислительных средств такой «дискрет» обычно составляет 2050 мс в зависимости от способов организации информационного обмена, используемой операционной системы и алгоритмов управляющих программ.
Исходя из этого можно утверждать, что СПА и ОУ взаимодействуют как цифровые автоматы и управление любой единицей объектового оборудования может рассматриваться как формализованный типовой процесс, при реализации которого любое управление становится идентичным с точки зрения способов организации информационного обмена для СПА, но для объектов А, В и С изменяется совокупная сумма сигналов информационного потока.
Количественная характеристика, с помощью которой можно классифицировать различные по внутренней структуре объекты как идентичные с точки зрения организации информационного обмена, называется системотехнической (СТХ), так как в конечном итоге она определяет номенклатуру элементов системной техники, с помощью которых могут быть переданы и приняты информационные потоки. Общий вид СТХ для трех объектов приведен в таблице.
Сигнал О У (А) ОУ (В) ОУ (С)
Дискретный Входной, а в с
Выходной, а в с
Аналоговый Входной, а вз с
Выходной, а в с
Классификация О У обычно выполняется по совокупной сумме сигналов СТХ или информационной мощности М. Например, информационная мощность ОУ (А) определяется выражением Ма = а1+ а2 + а3 + а4. Аналогично определяется информационная мощность объектов В и С.
Исходя из логики идентичности информационного обмена можно сконструировать виртуальное УСО (УСОв) с наибольшей информационной мощностью из всех возможных вариантов, с помощью которых будет обеспечено управление любым из трех объектов.
Информационная мощность виртуальной СПА Мв в этом случае будет определяться выражением Мв = а1+ +в2 + с3+ а4, где аь в2, с3 и а4 — наибольшие в количественном значении информационные потоки разных типов сигналов для виртуальной СПА (в таблице такие сигналы выделены жирным курсивом).
Теперь для управления тремя СПА может быть создана структура, указанная на рис. 2.
М
ВС (С)


УСОв


> ОУ (С)
ДИЛ -> ДКЛ -------->
КП
Технологический процесс
Рис. 2. Структура СПА с логическим резервированием: ДИЛ и ДКЛ -двунаправленные информационные и коммутационные линии для организации связи структур по типу «каждый с каждым»
Объединенные в локальные информационные и коммутационные сети такие структуры позволяют реализовать алгоритмы логического резервирования в течение длительности технологического цикла получения КП.
Действительно, за счет цифрового формализованного алгоритма информационного обмена между устройствами (например, по протоколу интерфейса К5−485) и объектовым оборудованием (по коммутационным линиям) в любой момент времени управление одним из трех объектов может осуществляться из любой ВС. При этом передача управления любому «свободному»
в данный момент времени УСОв выполняется с помощью логической подмены управляющей программы.
Виртуальная СПА реализуется на логически связанных структурах, обеспечивающих управление тем или иным (А, В или С) объектовым оборудованием, в результате формализации информационного обмена с ОУ не «замечает» такой подмены. Копии управляющих программ хранятся на специально выделенном сервере, который обеспечивает логическое резервирование любой ВС, сбор и хранение информационной картины, происходящей на любом объекте. Единственным не-
достатком такого способа является то, что процессы информационного обмена между ВС и ОУ должны удовлетворять принципам взаимодействия цифровых автоматов или быть сведены к ним. Для процессов, имеющих, помимо дискретных, и аналоговые параметры, последние следует рассматривать как сигналы «запуска и остановки» или «включения и выключения» примитивного объектового оборудования, на котором реализуется какая-либо непрерывная функция (П-ПИ или ПИД-регулирование).
Незначительная избыточность коммутационных линий и технических средств при конструировании таких УСО в любом случае оправдана, так как упрощается сама структура и повышается ее функциональная надежность. В этом случае отпадает надобность в создании дополнительных резервных структур.
В настоящее время большинство СПА реализуется на базе типовых комплектов ВС, которые обеспечивают: хранение кодов управляющих программ- отображение параметров процесса- организацию виртуальных пультов управления- хранение информации о технологическом процессе- обслуживание внешних устройств.
В соответствии с этим особых проблем по настройке ВС на особенности управления ОУ и УСО не возникает, так как для их реализации используются типовые многофункциональные средства. Многофункциональ-
ность современных средств автоматизации обеспечивается тем, что один и тот же прибор может выполнять различные функции по обработке и преобразованию сигналов, поступающих на УСО от ОУ. Например, преобразователь аналоговых сигналов типа ЕТ-301 (г. Томск) принимает сигналы от термопар, термометров сопротивления медных и платиновых с различной градуировкой (50 М, 100 М, 50 П, 100 П). Преобразователи 4000 и 5000 серий типа «АДАМ» (г. Москва) могут работать в режиме ввода или вывода по 10−12 каналам, преобразователи серии «МК-32» (Германия) обеспечивают ввод сигналов от термометров сопротивления платиновых как в обычном режиме, так и в режиме «безопасная электрическая цепь» и т. д.
Эти свойства современных средств автоматизации и создают объективные предпосылки для создания СПА, в составе которых функционируют виртуальные УСО, обеспечивающие реализацию схем логического резервирования.
Прототип описанной схемы с использованием на первом этапе логического резервирования ВС успешно функционирует на протяжении ряда лет в ФГУП «ФНПЦ «Алтай». Практическая реализация подхода для трех объектов подтверждает возможность создания логически резервированных структур СПА для технологий с дискретным характером производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоров Ю. Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств. М.: Синтег, 2006.
2. Лоскутов В. И. Основы современной техники управления. М.: Экономика, 1973.
3. Кузин Л. Т. Расчет и проектирование дискретных систем управления. М.: Машиностроение, 1962.
Статья представлена научно-редакционным советом журнала, поступила в научную редакцию «Физика» 20 ноября 2006 г., принята к печати 27 ноября 2006 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой