Дополнительные возможности сквозной автоматизации с SIMATIC PCS 7

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье представлена распределенная система управления (РСУ) ТП SIMATIC PCS 7 компании Siemens. Рассмотрены ее архитектурные особенности, вопросы интеграции основных и вспомогательных систем, поддержка концепции мультиуправления подсистем с Industry Library, технологии обеспечения удаленного управления, автоматизированное энергопотребление и энергораспределение, а также механизмы администрирования системы.

Система автоматизации — это фундамент для решения задач по увеличению производительности, повышению качества конечного продукта, сокращению периода простоев, минимизации негативного влияния человеческого фактора, сокращению текущих эксплуатационных расходов, планированию новых продуктов и созданию предпосылок для перехода на новые системы при минимальных затратах. Перечисленные задачи встречаются в любых отраслях промышленности, где управление традиционными ручными способами становится неэффективным или неконкурентоспособным.

На рынке РСУ существует множество предложений для построения систем автоматизации, отличающихся ценой, функциональной наполненностью, поддержкой различных аппаратных платформ, реализацией готовых стандартных интерфейсов, наличием служб поддержки клиентов и преемственностью в версиях. Одной из таких систем является SIMATIC PCS 7. Она имеет гибкую архитектуру (рис. 1) и позволяет осуществлять управление как самим производственным процессом, так и связанными с ним вспомогательными, такими как водоснабжение, охранные системы и системы видеонаблюдения, системы удаленного мониторинга, электрическая инфраструктура в виде распределительных устройств низкого или среднего напряжения, инфраструктура зданий и т. п. PCS 7 легко интегрируется в любую систему автоматизированного управления в рамках концепции комплексной автоматизации Totally Integrated Automation (TIA), которая предоставляет полный спектр совместимых друг с другом продуктов, систем и решений для разработки унифицированной, но в то же время отвечающей конкретным требованиям заказчика системы автоматизации процессов.

Рис. 1 Архитектура PCS7

Рис. 1 Архитектура PCS7

Комплексная автоматизация позволяет оптимизировать производственные, вспомогательные и управленческие процессы в масштабах всей компании, включая уровень планирования ресурсов предприятия ERP (SAP3), уровень систем управления производством MES (Simatic IT) и уровень автоматизации управления ТП — вплоть до автоматизации полевого уровня. Такая вертикальная интеграция наряду с сокращением расходов на взаимодействие и обмен данными обеспечивает максимальную прозрачность на всех уровнях. Ввиду реализации и использования международных стандартных интерфейсов построенная система открыта для взаимодействия с компонентами других производителей, что позволяет заказчикам чувствовать себя свободнее в выборе необходимых аппаратных и программных средств.

Архитектура системы SIMATIC PCS 7 разработана таким образом, что все опции управления могут быть сконфигурированы в соответствии с требованиями заказчика и оптимально согласованы с размерами технологического и вспомогательных процессов, а впоследствии, при изменении условий и задач производства, расширены или переконфигурированы. Масштабируемость позволяет реализовать индивидуальное решение в области автоматизации.

Каждая отрасль живет по своим рыночным законам и решает свои проблемы, поэтому у SIMATIC PCS 7 есть специализированные опции и решения, основанные на глубоком знании промышленно ориентированных задач и проблем в нефтяной, газовой, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, горно-обогатительной, цементной и других отраслях промышленности. К ним относятся как специализированные, отраслеориентированные библиотеки, так и функции расширенного управления и визуализации (BATCH, Route Control, Advanced Process Control, Advanced Process Function, Advanced Process Graphic, Logic Matrix и т. д.).

Вместе с тем на предприятиях есть сходные задачи, решение которых в рамках общей системы автоматизации позволяет создавать (или существенно приближаться к этому) законченные процессы автоматизации производств.

 

Интеграция локальных подсистем

 

SIMATIC PCS 7 Industry Library

Стандартная функциональность решений в области автоматизации уже заложена в SIMATIC PCS 7 Advanced Process Library (APL), но может быть расширена за счет использования специальных технологических функций SIMATIC PCS 7 Industry Library (IL). В дополнение к блокам, символам и лицевым панелям, которые предназначены для выполнения специфических задач наблюдения и управления в различных отраслях промышленности, IL также обеспечивает интеграцию локальных подсистем управления (рис. 2), которые часто используются в качестве готовых технологических решений, например для упаковки, очистки или распределения вод/сточных вод, в инфраструктурных и строительных секторах автоматизации и т. п. Унифицированно оформленные блоки IL и APL могут использоваться для создания интерфейсов управления, обеспечивающих однородное внешнее представление.

Рис. 2. Интеграция локальных подсистем

Рис. 2. Интеграция локальных подсистем

 

Управление и наблюдение с помощью операторских панелей

Управление и контроль состояния технологического процесса на сенсорной панели осуществляются с помощью интерфейсных блоков. Их конфигурирование производится в CFC-редакторе путем связывания IL-блока с технологическим блоком APL. Таким образом определяется концепция мультиуправления сложной иерархической установки, устанавливается связь и осуществляется синхронизация действий оператора центральной комнаты управления и локальных панелей, а также распространяется политика предоставления прав и протоколирования действий оператора локального пульта.

 

Интеграция локальных подсистем на базе S7-300

IL поддерживает проектирование систем автоматизации на базе не только семейства контроллеров S7-400, но и SIMATIC S7-300. С помощью пакета модулей библиотеки IL S7 локальные подсистемы на S7-300 могут быть легко интегрированы в общую иерархию системы управления технологическим процессом SIMATIC PCS 7. Программирование логики осуществляется в CFC-редакторе. Доступные библиотечные секции включают следующие типы блоков:

  • интерфейсные блоки для локальных панелей;
  • мониторинг пределов аналоговых величин (до 8 свободно выбираемых пределов);
  • мониторинг предела аналоговой величины и дополнительного дискретного значения;
  • мониторинг до 8 единиц оборудования;
  • мониторинг аналоговых измеряемых величин;
  • мониторинг дискретных измеряемых величин;
  • блоки позиционирования (клапаны, двигатели и т. д.);
  • ПИД-регулятор;
  • блоки операторского управления;
  • блоки управления клапанами;
  • блоки управления двигателем (стандартный, с двумя направлениями вращения, с переменной скоростью);
  • блоки для автоматизации инфраструктуры зданий;
  • блоки межконтроллерного обмена данными.

 

Система удаленного управления и мониторинга

Технологическое оборудование часто разбросано по огромным площадям, особенно в области распределения водных ресурсов и сточных вод или нефти и газа. В таких случаях необходимо интегрировать в общую систему мониторинга и управления довольно удаленные установки (обычно с небольшой или средней степенью автоматизации). Это осуществляется с помощью протоколов удаленного управления (телеуправления) через WAN (Wide Area Network). Управление удаленными станциями (RTUs, remote terminal units) может быть непосредственно интегрировано в систему управления технологическим процессом с использованием SIMATIC PCS 7 Telecontrol (рис. 3). Работа подсистемы в рамках общей структуры возможна как на выделенных аппаратных средствах (клиенты, серверы), так и в качестве приложений на общих серверах и клиентах ТП.

Рис. 3. Telecontrol, архитектура, протоколы

Рис. 3. Telecontrol, архитектура, протоколы

В философии управления и реакции на сигналы тревог не существует различия между автоматизацией центральной и удаленных систем. Данные из удаленных терминалов могут отображаться в одном кадре процесса вместе с данными локальных систем автоматизации SIMATIC PCS 7. Для создания и подключения функций телеуправления (удаленного управления) возможности центральной станции проектирования РСУ SIMATIC PCS 7 существенно расширены. Среды передачи данных от удаленных подсистем (коммутируемые, телефонные, радиорелейные, GSM и пр.) могут быть крайне ненадежными, медленными и требующими специальных процедур восстановления прерванных соединений, поэтому в дополнение к технологическим объектам для обработки и отображения данных процесса библиотека также содержит объекты для диагностики и контроля связи. Эти блоки поддерживают совместимый с SIMATIC PCS 7 стиль представления информации посредством иконок и лицевых панелей, а также иерархию сообщений тревог, событий и неисправностей. При необходимости библиотека может быть расширена для конкретных проектов новыми типами коммуникационных сценариев.

 

Интеграция коммутационных устройств

Коммутационные устройства отвечают за распределение или преобразование электрической энергии, формируя из источников и потребителей группы нагрузок. Сетевые узлы реализованы в виде сегментов шин с входящими и исходящими кабелями, и конструкция распределительного устройства учитывает изменение топологии сети в случае возникновения неисправностей, а также обеспечивает изоляцию и заземление оборудования для проведения работ по техническому обслуживанию.

С помощью SIMATIC PCS 7 PowerControl автоматизация технологических процессов и автоматизация электрических распределительных устройств среднего напряжения могут быть объединены в единую систему управления, что увеличивает прозрачность технологических зависимостей, повышает уровень интеграции и снижает затраты на администрирование и обслуживание.

Интеллектуальные коммутационные устройства (IEDs) для защиты, управления, измерения и контроля в сетях передачи и распределения электроэнергии интегрируются в систему управления процессом SIMATIC PCS 7 (рис. 4):

  • с использованием сетевых коммуникаций Ethernet TCP/IP посредством объектно-ориентированного протокола передачи данных IEC 61850 и его спецификаций; возможно:
    • подключение напрямую к системной шине процесса;
    • подключение через контроллер;
    • подключение через шлюз (в том числе резервированный);
  • с использованием драйвер-блоков PCS 7 PowerControl PROFIBUS Driver Library —
    • подключение через PROFIBUS DP (устройства защиты SIPROTEC).
      Рис. 4. Варианты подключения коммутационных устройств

      Рис. 4. Варианты подключения коммутационных устройств

Интеграция коммутационных устройств через PROFIBUS DP в первую очередь предназначена для повторного использования инфраструктур PROFIBUS DP при частичной модернизации существующих установок или в гибридных конфигурациях IEC 61850 и PROFIBUS в расширяемых распределительных сетях.

Функциональные характеристики SIMATIC PCS 7 PowerControl:

  • библиотека объектов с функциональными блоками, символами и лицевыми панелями;
  • концепция экземпляров объектно-ориентированного типа;
  • автоматическая генерация объектов для кадров визуализации;
  • интеграция новых устройств IED путем импорта IEC 61850 Device Description (ICD);
  • использование меток времени IED;
  • готовые лицевые панели устройств защиты (SIPROTEC) в стиле APL;
  • диагностика IED-устройства;
  • чтение и хранение записей IED об ошибках, а также их анализ с помощью внешних инструментов.

 

Оптимизация энергопотребления

 

Идентификация, сбор и оценка данных

Основной предпосылкой для улучшения энергетического баланса является прозрачность, то есть измерение показателей и запись данных о потреблении и движении потоков энергии внутри компании. В контексте РСУ SIMATIC PCS 7 это достигается с помощью следующих опций:

базовый мониторинг потребления энергии:

  • данные измерений от технологических блоков;
  • данные, предоставленные непосредственно электрическими компонентами, такими как автоматические выключатели (SENTRON), преобразователи частоты (SINAMICS), пускатели (ET 200S) и пр.;
  • данные других потребителей энергии, измеряемые с помощью устройства контроля мощности из серии SENTRON PAC;

функции управления энерго­ресурсами на основе библиотечных функций IL:

  • динамическое переключение нагрузки в соответствии с заранее определенной стратегией;
  • определение объектов и профилей нагрузки в зависимости от тарифных периодов;
  • стратегия применения собственных генерирующих мощностей;

Программное обеспечение SIMATIC B.Data для углубленного статистического анализа и оптимизации стратегии управления энергопотреблением.

 

Оптимизация использования

SIMATIC PCS 7 может быть использована и для оптимизации расхода энергии. Программные блоки оценивают текущее потребление технологического оборудования, осуществляют расчет прогноза потребления на определенный период (в среднем 15 минут) и сравнивают его с заданными пределами. В соответствии со стратегией потребители могут отключаться или включаться, например для того, чтобы сгладить большие пики или соблюдать ограничения, согласованные с контрактом поставщика энергии. Также в случае нестабильных параметров питания некоторые нагрузки могут быть быстро отсоединены, чтобы гарантировать работу критически важных технологических компонентов с использованием оставшегося объема подачи.

 

Моделирование и эмуляция

Вывод на рынок продукции высокого качества в кратчайшие сроки требует оптимизированного инженерного процесса разработки, а также быстрого монтажа и ввода в эксплуатацию. Simit Simulation Framework позволяет провести тестирование и ввод в эксплуатацию проекта пользовательского ПО на «частично виртуальном заводе». Для этого технологические процессы и параметры измерительной техники могут быть смоделированы и отображены в реальном времени с помощью физической или виртуальной системы автоматизации.

Многие эффективные тесты по обнаружению и устранению возможных ошибок (идентификация подключений и параметров, правильность соединений и взаимо­связанной логики и др.) могут быть проведены без потенциального риска вывода из строя реального оборудования и наложения на него дополнительных нагрузок. При этом можно проверить и оптимизировать качество процесса проектирования, имитируя разные режимы работы оборудования, самого техологического процесса, его отклонений и предельных условий работы. Simit Simulation Framework может быть использован и в качестве обучающей системы для безопасной подготовки персонала по управлению реальным процессом. Система эмуляции может работать на современных компьютерах и в виртуальных средах (VMware). Она гибко интегрируется в среду SIMATIC PCS 7 с помощью открытых интерфейсов.

Эффективное моделирование строится на основе трех уровней абстракции: сигналов, устройств (например, датчики и исполнительные механизмы) и технологических функций. Simit Simulation Framework может подключаться к системе автоматизации через интерфейсы PROFIBUS DP или PROFINET IO. При этом программные блоки моделирования позволяют в этом случае симулировать устройства на PROFIBUS DP / PROFINET IO. При отсутствии физического контроллера или в качестве его альтернативы можно использовать виртуальный контроллер Simit Virtual Controller, ПО эмуляции контроллера S7-PLCSIM или PRODAVE (MPI/IE). Можно выделить два этапа виртуального ввода в эксплуатацию:

  • предварительный тест (без использования физической системы):
    • пользовательская программа работает в виртуальном контроллере (Simit Virtual Controller или S7-PLCSIM);
    • Simit Simulation Framework (рис. 5) обеспечивает имитацию сигналов ввода/вывода с помощью внутренних программных механизмов;
    • происходит отладка технологических функций;
  • заводские приемочные испытания (с использованием оборудования автоматизации):
    • пользовательская программа работает в реальном контроллере;
    • Simit Simulation Framework имитирует сигналы ввода/вывода, измерительные приборы и полевые устройства;
    • передача значений моделирования к физическим контроллерам осуществляется через полевые шины с помощью кадров сообщений;
    • расширение проверки системы с помощью дополнительного моделирования технологических функций.
      Рис. 5. Simit Simulation Framework

      Рис. 5. Simit Simulation Framework

 

Администрирование программно-аппаратных компонентов

РСУ ТП включает в себя множество разнородных компонентов, каждый из которых конфигурируется определенными наборами параметров и настроек. При проведении разно­образных модификаций и обновлений эти настройки также могут подвергаться существенным изменениям. Без централизованной системной поддержки достаточно трудно и затратно отслеживать текущее состояние аппаратного и програм­много обеспечения по мере прохождения жизненного цикла системы.

Для минимизации административных затрат можно воспользоваться консолью управления Management Console, которая предоставляет текущий статус установленных аппаратных и программных компонентов как одной станции SIMATIC PCS 7, так и всей сети предприятия.

Консоль управления PCS 7 позволяет обеспечить централизованное администрирование ПО и составление инвентаризационного списка программно-аппаратных компонентов РСУ, сконфигурированных в среде SIMATIC PCS 7.

В небольших проектах консоль управления может устанавливаться и эксплуатироваться на инженерной станции, а для средних и крупных систем консоль управления рекомендуется устанавливать на выделенную станцию. Использование протокола Kerberos обеспечивает безопасную аутентификацию связи между SIMATIC PCS 7 Management Console (рис. 6) и станциями, управляемыми ею.

 

Централизованное администрирование ПО

Обновление целевой станции, как правило, не требует активного участия пользователя в этом процессе, а специальные механизмы безопасности предотвращают нежелательное воздействие на среду оперативного управления. Это обеспечивается путем:

  • установки файлов обновления на выделенный файловый сервер;
    • внесения / удаления станций PCS 7 в настройки централизованного управления;
    • создания для целевых станций предварительно сконфигурированных пакетов установки/обновлений;
    • создания резервных копий ранее сконфигурированных систем целевых станций;
    • проверки готовности целевых станций к обновлению;
    • дистанционного отключения станции для запуска установки обновления;
  • мониторинга состояния станции в процессе обновления и продолжения установки после перезагрузки или сетевого прерывания;
    • дистанционного включения станции после завершения установки обновления.
      Рис. 6. Simatic Management Console

      Рис. 6. Simatic Management Console

 

Создание инвентаризационных списков

Проведение централизованной инвентаризации установленных программных и аппаратных компонентов упрощает получение подробного отчета инвентаризации и позволяет быстро и безошибочно определить кандидатов для обновления/замены. Инвентаризация проводится путем считывания технической информации из конфигурационных данных инженерной системы или непосредственно из самого компонента. Отчет об инвентаризации создается в формате Microsoft Excel с учетом заданных пользователем категорий и критериев.

 

Виртуализация

Виртуализация является технологией ПО для эмуляции аппаратных средств, памяти данных, сетевых компонентов и поддержки операционных систем, которая все чаще находит применение в области промышленной автоматизации. Инвестиции в производительные аппаратные средства, ПО виртуализации, договоры об оказании услуг и инфраструктуру окупятся в большинстве случаев в результате долгосрочной экономии операционных расходов в течение всего жизненного цикла предприятия. Важной гарантией успеха виртуализации является наличие компетентных специалистов ИТ-поддержки, а также специальные знания в области автоматизации процессов.

Рентабельность существенно зависит от специальных требований к проекту, которые могут затрагивать такие аспекты, как место расположения, возможность удаленного доступа, энерго­сбережение, инфраструктура, структура иерархии проекта, возможность виртуальной работы других приложений и т. д.

ИТ-безопасность так же важна в виртуальном мире, как и в реальной среде. Для ее обеспечения применяются патчи безопасности, антивирусное ПО, администрирование пользователей и определение механизмов защиты доступа.

Виртуализация на базе SIMATIC PCS 7 в настоящее время возможна для клиентов (OS, Batch, Route Control) и архивного сервера Process Historian / Information Server, а также таких дополнительных компонентов, как SFC-визуализация, OpenPCS7 Client, PCS 7 Web Server или терминальный сервер PCS 7. Серверы (ОС, Batch, Control Route), система проектирования, одноместная станция OS или станции технического обслуживания могут также работать в виртуальной среде при скрупулезном учете всех факторов конкретного проекта, влияющих на производительность совокупной системы. В качестве аппаратного обеспечения для виртуальных клиентов и их дополнений можно использовать недорогие тонкие клиенты. Операторские станции, настроенные таким образом, обмениваются данными, используя удаленные протоколы (VNC, VMware View). Функции операторского управления и мониторинга в виртуальных подсистем не отличаются от таковых на реальных станциях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *