Уровни АСУ ТП: от полевого оборудования до диспетчерского управления

Автоматизированная система управления технологическими процессами объединяет оборудование, программное обеспечение и средства связи, необходимые для контроля и управления производством. В ее состав могут входить датчики, исполнительные механизмы, программируемые контроллеры, операторские панели, серверы, SCADA-системы и средства хранения технологических данных.

Все эти компоненты выполняют различные задачи и работают с разной скоростью. Чтобы правильно распределить функции между ними, архитектуру АСУ ТП принято разделять на несколько уровней. Такое деление упрощает проектирование системы, повышает ее надежность и позволяет организовать последовательную передачу данных от технологического оборудования к оператору и далее к информационным системам предприятия.

Что понимают под уровнями АСУ ТП?

Уровень АСУ ТП представляет собой функциональную часть системы, решающую определенный круг задач. Нижние уровни непосредственно взаимодействуют с физическим процессом, а верхние отвечают за визуализацию, диспетчеризацию, хранение информации и управление производственными операциями.

В качестве общего ориентира часто используется модель ISA-95, также принятая как IEC 62264. Она описывает взаимодействие производственных и корпоративных систем и выделяет уровни от физического процесса до бизнес-планирования. В этой модели уровень:

• 0 – соответствует самому технологическому процессу;
• 1 – включает средства измерения и воздействия;
• 2 – отвечает за автоматическое управление;
• 3 – охватывает управление производственными операциями;
• 4 – относится к планированию и корпоративным системам.

При проектировании конкретной АСУ ТП количество уровней может отличаться. Например, операторские панели и контроллеры иногда относят к одному уровню, а серверы архивирования и SCADA-систему разделяют. Поэтому важнее не название уровня, а функции, которые выполняют размещенные на нем компоненты.

Нулевой уровень: технологический процесс

Нулевой уровень представляет собой физический объект управления. Это производственное оборудование, технологические установки, трубопроводы, резервуары, конвейеры, насосные станции, печи, котлы, станки и другие объекты.

К параметрам процесса могут относиться:

• температура;
• давление;
• расход жидкости или газа;
• уровень продукта в емкости;
• скорость вращения;
• положение механизма;
• напряжение и ток;
• влажность;
• масса;
• концентрация вещества;
• состояние оборудования.

На этом уровне еще нет вычислительных средств управления. Здесь происходят физические изменения: нагрев, охлаждение, перемещение, смешивание, дозирование, подача сырья, обработка детали или преобразование энергии.

Задача АСУ ТП состоит в том, чтобы получить достоверную информацию о состоянии процесса, сравнить ее с заданными значениями и при необходимости изменить работу оборудования.

Например, при управлении температурой в промышленной печи объектом является сама печь и находящийся в ней продукт. Система должна измерить температуру, определить отклонение от заданного значения и изменить подачу топлива или мощность нагревательных элементов.

Полевой уровень

Полевой уровень расположен ближе всего к технологическому оборудованию. Он обеспечивает непосредственную связь между физическим процессом и системой управления.

Средства полевого уровня устанавливаются непосредственно на технологическом оборудовании или рядом с ним. Они работают в условиях повышенной температуры, влажности, запыленности, вибрации, электромагнитных помех и других производственных воздействий.

Измерительные устройства

Датчики и измерительные преобразователи получают информацию о состоянии процесса. Они преобразуют физический параметр в сигнал, который может быть передан контроллеру.

В зависимости от назначения используются датчики:

• температуры;
• давления;
• расхода;
• уровня;
• положения;
• скорости;
• вибрации;
• загазованности;
• электрических параметров;
• химического состава среды.

Передача данных может осуществляться с помощью следующих сигналов:

• дискретный – обычно передает два состояния, например «включено» и «выключено», «открыто» и «закрыто», «авария есть» и «аварии нет»;
• аналоговый – используется для передачи изменяющейся величины, например температуры, давления или расхода.

Современные интеллектуальные датчики могут не только передавать измеренное значение, но и сообщать диагностическую информацию: состояние прибора, наличие неисправности, выход параметра за допустимый диапазон или необходимость технического обслуживания.

Исполнительные устройства

Исполнительные механизмы получают команды от системы управления и воздействуют на технологический процесс.

К ним относятся:

• электродвигатели;
• приводы задвижек;
• регулирующие клапаны;
• пневматические и гидравлические механизмы;
• нагреватели;
• насосы;
• вентиляторы;
• дозаторы;
• реле и контакторы.

Например, контроллер может подать команду на открытие клапана, изменение частоты вращения двигателя, включение насоса или остановку конвейера.

Таким образом, измерительные устройства формируют обратную связь, а исполнительные механизмы изменяют состояние объекта. Вместе они создают замкнутый контур управления.

Удаленные модули ввода-вывода

На крупных объектах датчики и исполнительные механизмы могут находиться на значительном расстоянии от шкафа управления. Прокладывать отдельный кабель от каждого устройства до центрального контроллера не всегда рационально.

В таких случаях применяют удаленные станции ввода-вывода. Они устанавливаются рядом с оборудованием, принимают сигналы от полевых устройств и передают их контроллеру по промышленной сети.

Такое решение позволяет:

• уменьшить количество кабельных линий;
• упростить монтаж;
• сократить размеры кабельных трасс;
• облегчить расширение системы;
• повысить удобство диагностики.

Полевые сети обеспечивают подключение датчиков и исполнительных механизмов к системе управления. Например, AS-Interface используется для связи датчиков и приводов с управляющей системой на нижнем полевом уровне.

Уровень локального автоматического управления

Следующий уровень отвечает за обработку сигналов и автоматическое управление технологическим процессом. Его основными элементами являются программируемые логические контроллеры, распределенные системы управления, регуляторы и специализированные устройства автоматики.

По модели ISA-95 на данном уровне выполняются мониторинг и автоматическое управление физическим процессом. К типовым средствам относятся ПЛК и распределенные системы управления.

Функции программируемого контроллера

Контроллер получает сигналы с полевого уровня, обрабатывает их в соответствии с загруженной программой и формирует команды для исполнительных механизмов.

Типовой рабочий цикл ПЛК включает:

1. чтение входных сигналов;
2. выполнение управляющей программы;
3. расчет необходимых воздействий;
4. обновление выходных сигналов;
5. диагностику состояния оборудования;
6. обмен данными с другими компонентами системы.

Этот цикл непрерывно повторяется. Время его выполнения зависит от типа контроллера, сложности программы и количества подключенных сигналов.

На уровне контроллеров реализуются:

• логическое управление;
• автоматическое регулирование;
• технологические блокировки;
• последовательности запуска и остановки;
• управление электроприводами;
• контроль допустимых режимов;
• формирование предупредительных и аварийных сигналов;
• локальная диагностика.

Например, контроллер насосной станции может автоматически запустить резервный насос при отказе основного, отключить оборудование при отсутствии жидкости и передать сигнал об аварии оператору.

Почему управление не должно полностью зависеть от SCADA?

Критически важные алгоритмы обычно выполняются непосредственно в контроллерах, а не на сервере диспетчеризации. Это позволяет сохранять работоспособность объекта при временной потере связи с верхним уровнем.

Если соединение со SCADA-системой будет прервано, контроллер продолжит:

• принимать сигналы от датчиков;
• поддерживать заданные параметры;
• выполнять блокировки;
• управлять оборудованием;
• переводить процесс в безопасное состояние при аварии.

Такое распределение функций повышает автономность и отказоустойчивость системы. Сервер диспетчеризации не должен быть единственной точкой, от которой зависит безопасность технологического процесса.

Противоаварийная защита

На опасных производственных объектах могут использоваться отдельные системы противоаварийной автоматической защиты. Они контролируют критические параметры и при возникновении опасной ситуации переводят оборудование в безопасное состояние.

Функции такой системы могут включать:

• аварийную остановку установки;
• перекрытие подачи топлива или сырья;
• отключение электропитания;
• включение вентиляции;
• сброс давления;
• запуск системы пожаротушения;
• блокировку повторного запуска.

В зависимости от требований проекта функции противоаварийной защиты могут выполняться отдельным контроллером, независимым от основной системы управления.

Локальный операторский уровень

Между контроллерами и центральной диспетчерской системой часто размещается локальный операторский уровень. Он позволяет персоналу управлять отдельной машиной, установкой или технологическим участком непосредственно на месте.

Основным устройством здесь является панель оператора, или HMI.

На экране HMI могут отображаться:

• текущее состояние оборудования;
• значения технологических параметров;
• режимы работы;
• сообщения о неисправностях;
• состояние блокировок;
• кнопки запуска и остановки;
• поля ввода уставок;
• графики изменения параметров.

Локальная панель особенно важна при проведении пусконаладочных, ремонтных и сервисных работ. С ее помощью оператор может проверить работу механизмов, изменить разрешенные параметры или перевести оборудование в ручной режим.

Панель оператора не обязательно заменяет центральную SCADA-систему. Эти средства решают разные задачи. HMI обычно обслуживает конкретную установку или производственную линию, а SCADA охватывает цех, площадку или весь распределенный объект.

Современные HMI-системы могут масштабироваться от панелей отдельных машин до комплексных решений для диспетчерского контроля предприятия.

Уровень диспетчерского управления

Диспетчерский уровень объединяет информацию от контроллеров, локальных панелей и других подсистем. На нем оператор получает целостное представление о состоянии технологического объекта.

Основным инструментом диспетчерского управления является SCADA-система (Supervisory Control and Data Acquisition, то есть диспетчерское управление и сбор данных).

Основные компоненты диспетчерского уровня

В состав этого уровня могут входить:

• серверы SCADA;
• автоматизированные рабочие места операторов;
• серверы архивирования;
• серверы тревог и событий;
• инженерные станции;
• серверы отчетности;
• промышленные базы данных;
• сетевое оборудование;
• резервные серверы;
• шлюзы обмена данными.

На небольшом объекте все функции могут выполняться одним промышленным компьютером. На крупном предприятии используется распределенная архитектура с несколькими серверами, рабочими местами и резервированными каналами связи.

Визуализация технологического процесса

SCADA-система представляет информацию в форме мнемосхем. На экране отображаются технологические установки, трубопроводы, насосы, клапаны, электродвигатели и другие элементы объекта.

Оператор может увидеть:

• какие агрегаты работают;
• какие механизмы остановлены;
• открыты или закрыты клапаны;
• значения температуры, давления и расхода;
• направление движения продукта;
• наличие предупредительных сообщений;
• аварийные участки.

Для удобства восприятия используются цветовые обозначения, условные символы, анимация и переходы между экранами. При этом интерфейс должен помогать оператору быстро оценить ситуацию, а не перегружать его декоративными элементами.

Управление оборудованием

При наличии соответствующих прав оператор может через SCADA-систему:

• запускать и останавливать агрегаты;
• выбирать режим работы;
• менять разрешенные уставки;
• подтверждать сообщения;
• вводить технологические задания;
• переключать оборудование на резерв;
• управлять последовательностью операций.

Команда оператора передается контроллеру, но окончательное решение обычно остается за управляющей программой. Если команда нарушает технологическую блокировку или требования безопасности, контроллер не должен ее выполнять.

Например, система не позволит запустить насос при закрытой задвижке, отсутствии продукта или активном аварийном сигнале.

Система тревог и событий

Важная функция диспетчерского уровня заключается в регистрации отклонений и информировании персонала.

Сообщения могут быть:

• информационными;
• предупредительными;
• аварийными;
• связанными с оборудованием;
• связанными с технологическим параметром;
• связанными с действиями пользователя.

Для каждого события фиксируются дата и время возникновения, источник, описание, приоритет и действия оператора.

Грамотно настроенная система тревог помогает быстро определить причину нарушения. Если сообщений слишком много или они настроены без учета приоритетов, оператору становится сложнее выделить действительно опасное событие.

Архивирование данных

SCADA-система сохраняет технологические параметры в архиве. Это позволяет анализировать работу объекта не только в текущий момент, но и за предыдущие периоды.

Архив может содержать:

• значения измеряемых параметров;
• состояния оборудования;
• команды операторов;
• изменения уставок;
• аварийные сообщения;
• события входа пользователей;
• результаты производственных операций.

Данные используются для построения графиков, расследования аварий, подготовки отчетов, оценки эффективности оборудования и поиска причин отклонений.

Подготовка отчетов

На диспетчерском уровне могут формироваться:

• сменные и суточные отчеты;
• производственные сводки;
• отчеты о простоях;
• журналы аварий;
• балансы сырья и энергоресурсов;
• отчеты о наработке оборудования;
• сведения о расходе материалов;
• показатели качества продукции.

Отчеты могут создаваться по расписанию или по запросу пользователя.

Уровень управления производственными операциями

Над диспетчерским уровнем могут располагаться системы управления производственными операциями. Их задача состоит не в непосредственном управлении каждым насосом или клапаном, а в координации производства в целом.

К этому уровню относятся:

• MES-системы;
• системы оперативного планирования;
• системы управления качеством;
• системы учета производства;
• системы управления техническим обслуживанием;
• лабораторные информационные системы;
• системы расчета производственных показателей.

В модели ISA-95 этот уровень соответствует управлению производственными операциями и связывает технологические системы с корпоративным планированием.

MES-система может получать из АСУ ТП сведения:

• о количестве произведенной продукции;
• фактическом времени выполнения операций;
• потреблении сырья;
• состоянии оборудования;
• простоях;
• технологических режимах;
• качестве продукции;
• возникших отклонениях.

В обратном направлении могут передаваться производственные задания, рецептуры, плановые объемы и параметры выпуска продукции.

При этом MES обычно не должна подменять контроллеры и выполнять быстродействующее управление. Ее задача заключается в координации, учете и оптимизации производственных процессов.

Интеграция с корпоративными системами

На верхнем уровне находятся корпоративные информационные системы, в том числе ERP. Они используются для планирования ресурсов, закупок, продаж, логистики, финансового учета и управления предприятием.

Интеграция АСУ ТП с корпоративными системами позволяет передавать фактические производственные данные без ручного ввода.

Например, ERP-система формирует производственный заказ. MES распределяет его по линиям и сменам. АСУ ТП управляет оборудованием и собирает фактические показатели. После выполнения задания данные о выпущенной продукции, затраченном сырье и времени работы возвращаются в MES и ERP.

Так формируется единая информационная цепочка: планирование → производственное задание → автоматическое управление → сбор фактических данных → учет и анализ.

Разделение производственного и корпоративного уровней важно не только с функциональной, но и с информационной точки зрения. Промышленные системы имеют особые требования к быстродействию, доступности, надежности и безопасности, которые необходимо учитывать при организации обмена данными. NIST отдельно рассматривает SCADA, DCS и системы на базе ПЛК как промышленные системы управления со специфическими требованиями к производительности, надежности и безопасности.

Как данные перемещаются между уровнями АСУ ТП?

Работу многоуровневой системы можно рассмотреть на примере контроля давления в трубопроводе.

Датчик измеряет давление и передает сигнал в модуль ввода. Контроллер преобразует полученное значение, сравнивает его с установленным диапазоном и выполняет управляющий алгоритм.

Если давление начинает повышаться, контроллер может уменьшить производительность насоса или открыть регулирующий клапан. Одновременно текущее значение передается в SCADA-систему.

На рабочем месте диспетчера параметр отображается на мнемосхеме и записывается в архив. При превышении предупредительного значения система формирует сообщение. Если давление достигает аварийного уровня, контроллер выполняет защитный алгоритм независимо от действий оператора.

Далее сведения об отклонении могут поступить в систему управления техническим обслуживанием. Если причиной стало ухудшение состояния оборудования, формируется заявка на диагностику или ремонт.

Таким образом, информация перемещается снизу вверх, а команды и задания передаются сверху вниз. При этом каждый уровень обрабатывает данные в пределах своей ответственности.

Каналы связи между уровнями

Для обмена данными в АСУ ТП применяются промышленные сети, специализированные протоколы и стандартные интерфейсы.

Выбор технологии зависит от:

• требуемой скорости обмена;
• количества устройств;
• расстояния между узлами;
• условий эксплуатации;
• необходимости резервирования;
• требований к совместимости;
• допустимого времени реакции;
• требований информационной безопасности.

На полевом уровне могут использоваться последовательные интерфейсы и промышленные сети. Между контроллерами, панелями и серверами широко применяются Ethernet-сети промышленного исполнения.

Для стандартизированного обмена между оборудованием, SCADA и информационными системами может использоваться OPC UA. В качестве клиента OPC UA могут выступать HMI, SCADA или другие программные системы, которым необходим доступ к данным автоматизации.

В современных архитектурах также применяются пограничные вычислительные устройства, или Industrial Edge. Они могут собирать данные от оборудования, выполнять предварительную обработку и передавать подготовленную информацию в SCADA, MES или другие системы. Такие решения дополняют классическую иерархию, но не отменяют необходимость четко распределять функции между уровнями.

Почему уровни АСУ ТП нельзя рассматривать изолированно?

Каждый уровень выполняет самостоятельные функции, но эффективность системы зависит от их согласованной работы.

Ошибки на полевом уровне приводят к получению недостоверных данных. Неправильно выбранный датчик может передавать контроллеру значения с недостаточной точностью или запаздыванием.

Ошибки в программе контроллера могут вызвать неправильную последовательность включения оборудования или нестабильное регулирование.

Неудачно спроектированный интерфейс SCADA усложняет работу оператора и увеличивает время реакции на аварийную ситуацию.

Проблемы интеграции с MES или ERP приводят к расхождению производственных и учетных данных.

Поэтому при проектировании АСУ ТП необходимо учитывать всю цепочку: от точки измерения и исполнительного механизма до диспетчерского рабочего места и корпоративной системы.

Основные требования к многоуровневой архитектуре

• Надежность. Отказ одного компонента не должен приводить к потере управления всем объектом. Для критически важных узлов предусматривают резервирование: контроллеров, серверов, сетевых соединений, источников питания, рабочих станций, каналов передачи данных.
• Автономность нижних уровней. Локальные алгоритмы управления должны продолжать работу при временной потере связи с диспетчерским или корпоративным уровнем.
• Масштабируемость. Архитектура должна позволять подключать новое оборудование, добавлять контроллеры, рабочие места и серверы без полной перестройки системы.
• Совместимость. Необходимо заранее определить протоколы обмена и способы интеграции оборудования разных производителей.
• Диагностируемость. Персонал должен получать информацию не только о технологическом процессе, но и о состоянии самой системы управления: контроллеров, модулей ввода-вывода, серверов, сетевых соединений и источников питания.
• Информационная безопасность. Доступ между уровнями должен быть ограничен с учетом функций пользователей и оборудования. Необходимо разделять технологические и корпоративные сети, контролировать удаленные подключения и регистрировать действия персонала.
• Удобство эксплуатации. Система должна быть понятна операторам, инженерам АСУ ТП и специалистам технического обслуживания. Для этого необходимы продуманная визуализация, единые обозначения, документация и средства диагностики.

Как определить необходимое количество уровней?

Не каждой системе требуется сложная многоуровневая архитектура.

Для отдельной установки может быть достаточно датчиков, контроллера и локальной панели оператора. На производственной линии к ним добавляется SCADA-система. На крупном предприятии могут потребоваться централизованное архивирование, MES, интеграция с ERP и единый диспетчерский центр.

При выборе архитектуры учитывают:

• размер объекта;
• количество единиц оборудования;
• территориальную распределенность;
• сложность технологического процесса;
• требования к времени реакции;
• количество операторов;
• необходимость централизованного управления;
• требования к архивированию;
• необходимость производственного учета;
• требования к резервированию;
• перспективы расширения;
• требования информационной безопасности.

Избыточно сложная архитектура увеличивает стоимость внедрения и обслуживания. Слишком простая система, напротив, может не обеспечить требуемую надежность, прозрачность и возможность дальнейшего развития.