Контрольная работа: Цифровой мир производства и интеллектуальные здания
Стандартная для обычных ПК шина ISA была использована и для промышленных нужд. На ее основе был создан одноплатный компьютер, называемый microPC (mPC). На базе плат mРС производят и модули. Верхнюю сторону платы снабжают панелью, которая становится лицевой. При этом изменяется система крепления и подвода внешних цепей.
Для самых "маленьких" встраиваемых контроллеров применяется шина РС-104. В ее названии присутствует число контактов разъема, на который выводятся сигналы шины ISA. От обычной шины ISA РС-104 отличается только типом разъема и нагрузочными характеристиками линий.
5. SCADA-системы
Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации о технологических процессах (рис. 2). SCADA-пакеты состоят из нескольких программных модулей: доступа и управления, сигнализации, базы данных реального времени, базы данных, ввода-вывода и аварийных ситуаций (табл. 2).
Рис. 2. SCADA-система Trace Mode 5
Таблица 2. Известные SCADA-системы
| SCADA-система | Производитель | Информация, | Краткая характеристика |
| Cited 5.4 | Citect | www.citect.com | Высокопроизводительная клиент-серверная система на базе Windows 9х и NT. Поддерживает язык программирования для создания прикладных систем |
| FactorySuite 2000 | Wonderware | www.wonderware.com | Функционирует под управлением ОС Windows NT. Основные модули: InTouch (для визуализации процессов), InControl (для управления оборудованием и производственными процессами), Industrial SQL Server (реляционная база данных реального времени промышленного применения). Поддерживаются все открытые интерфейсы Microsoft, а также множество коммуникационных драйверов для связи с контроллерами |
| Genesis32 7.0 | Iconics | www.iconics.com | Набор 32-разрядных приложений для Windows 9х и NT, построенных в соответствии со спецификацией ОРС. В состав данного пакета входят следующие клиентские приложения, соответствующие спецификации ОРС: GraphWorX32, TrendWorX32, AlarmWorX32, ScriptWorX32 |
| Genie | Advantech | www.advantech.com | Windows-среда для построения систем сбора, анализа, визуализации данных и управления. Поддерживается многозадачный режим работы и механизмы DDE, OLE, ODBC. Можно встраивать программы на Visual Basic |
| RealFlex 4.2 | RealFlex | www.realflex.com | 32-разрядная система, работающая под управлением ОС QNX |
| SIMATIC IT Production Suite | Siemens | www.siemens.com | В состав этого комплекса входит несколько диспетчеров - SIMATIC IT Framework, SIMATIC IT Personnel Manager, SIMATIC IT Messaging Manager, SIMATIC IT Material Manager, SIMATIC IT Production Order Manager. Они обеспечивают моделирование и управление технологическими процессами различных типов производств |
| Sitex | Jade Software | www.sitex.com | 32-разрядная сетевая система, в которой серверная часть отделена от клиентской, работает под управлением ОС QNX. Клиентская часть может работать под управлением QNX Windows, Photon/QMX и Windows |
| Trace Mode 5 | AdAstrA | www.adastra.ru | Открытая, модульная и масштабируемая система, которая поддерживает различные коммуникационные драйверы, среди которых драйверы контроллеров российского производства. Обеспечивает программирование приложений как для верхнего, так и для нижнего уровня в соответствии со стандартом IEC-1131 |
| Wizcon | Axeda | www.axeda.com | Сетевая Windows-система с 32-разрядным ядром, управляемым по событиям. Имеется возможность управления через Internet посредством Web-публикации графических интерфейсов в виде Java-кодов |
| WizFactory | Axeda | www.axeda.com | Интегрированный пакет, содержащий: SCADA Wizcon for Windows & Internet, WizPLC, WizDCS, WizReport (средство для составления производственных отчетов), WizScheduler (средство для планирования автоматического запуска производственных заданий). Имеется возможность управления через Internet посредством Web-публикации графических интерфейсов |
Что дает использование SCADA-системы предприятию:
- Точное соблюдение технологических нормативов и регламента. Значительное уменьшение процента брака, автоматическое повышение качества;
- Снижение простоев оборудования, вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;
- Устранение ошибок, допускаемых операторами путем полной автоматизации процессов управления;
- Установление непосредственных взаимосвязей между производством, отделом планирования, складом и поставщиками;
- Точный учет количества выпущенной продукции на всех стадиях производства, не зависящий от действий оператора;
- Анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;
- Предупреждение аварий на производстве;
- Комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;
- Автоматическая и своевременная генерация отчетов для руководящего персонала.
Основное требование к SCADA-системам - это работа в режиме реального времени, когда главную роль играют сигналы, управляющие технологическим процессом. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционной системы (ОС) реального времени, хотя в последнее время делаются попытки перехода и на платформу Windows NT/2000, в которую встраиваются расширения реального времени RTX (Real Time Extension). Благодаря использованию этой ОС от Microsoft, появилась возможность создания многоуровневых систем, интегрированных с АСУП.
Источниками данных в системах SCADA могут быть драйверы связи с контроллерами, реляционные базы данных, приложения, содержащие интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding).
Текущая информация о технологическом процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и после ее преобразования передают в блоки обработки, которые реализуют алгоритмы контроля и управления. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту, для связи с которыми применяются известные интерфейсы - RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи данных применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей.
Аварийные предупреждения и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом, а надежность системы управления достигается за счет горячего резервирования как аппаратных, так и программных средств.
Для эффективной работы в разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Использование протокола TCP/IP позволяет SCADA-системам работать и в Интернете, что особенно актуально, когда информацию о технологическом процессе необходимо передавать на Web-сайт предприятия.
6. ОС реального времени
Как упоминалось выше, в промышленных системах нашли свое применение ОС реального времени (табл. 3). Эти системы имеют явные отличительные особенности от ОС общего назначения, которые известны по использованию в офисных приложениях.
Во-первых, если ОС общего назначения (Windows, MacOS) и особенно многопользовательские, такие как Windows NT/2000, UNIX, Linux, ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера (процессорного времени, памяти, дискового пространства, принтеров и др.) между пользователями и задачами, то в ОС реального времени главная задача заключается в реакции на события, происходящие на объекте, т. е. они ориентированы на обработку внешних событий.
Во-вторых, ОС реального времени всегда связаны с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Именно это приводит к коренным отличиям в структуре системы, в функциях ядра, в построении системы ввода-вывода.
В-третьих, если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями как готовый набор приложений, то ОС реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени.
Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени (СЖРВ) и системы мягкого реального времени (СМРВ). СЖРВ (например, бортовые системы управления или системы аварийной защиты) не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. СМРВ характеризуются тем, что задержка реакции не критична. СЖРВ никогда не опоздает с реакцией на событие, СМРВ - не должна опаздывать с реакцией на событие.
Таблица 3. Операционные системы реального времени
| ОС | Производитель | Краткая характеристика |
| Component Integrator | VenturCom | Расширение реального времени для ОС Windows NT, позволяющее адаптировать Windows NT для использования во встроенных приложениях |
| Nucleus и Nucleus PLUS | ATI | Кросс-платформенная и 32-разрядная ОС реального времени для встроенных систем |
| OS9 | Microware | UNIX-подобная многогозадачная и многопользовательская, модульная и переносимая система для компактных встраиваемых приложений |
| QNX | QSSL | Система с компактным ядром, хорошим временем реакции и встроенными механизмами передачи сообщений между процессами. Имеет встроенную защиту памяти и устойчивую файловую систему, поддерживает различные контроллеры |
| RTKernel 4.5 | On Time | Многозадачная система реального времени, предназначенная для разработки программного обеспечения в среде MS-DOS для PC-совместимых контроллеров с открытой архитектурой |
| VxWorks | WindRiver | Система с кросс-средствами разработки прикладного программного обеспечения (ОС реального времени VxWorks и инструментальная среда Tornado) |
| LynxOS | LynuxWorks | Система, имеющая интерфейс Linux и совместимая с ее компонентами и приложениями |
| Windows NT/ CE-RTX | VenturCom | Расширение реального времени для ОС Windows NT, интегрированное в ядро этой сетевой ОС и использующее ее службы и интерфейс прикладного программирования WIN32 API |
7. Прозрачное предприятие
Для решения задач межсетевого обмена в рамках всего промышленного предприятия и предоставления технологической возможности "бесшовной" интеграции систем АСУП и АСУТП компанией Schneider Elektrik была разработана концепция Transparent Factory. Это стало возможным благодаря применению новых технологических решений. Так, Ethernet становится основой следующего поколения сетей промышленной автоматики, интегрированных с традиционными офисными сетевыми инфраструктурами. Сети intranet обеспечивают унифицированный и "прозрачный" доступ к данным всех уровней, которые поступают как от датчиков и исполнительных устройств, так и от ERP-системы. Появились открытые, стандартные и обьектно- ориентированные компонентов управления и доступа к информации, к которым относятся Web-серверы и ОРС-средства (OLE for Process Control).
В рамках первого этапа реализации концепции Transparent Factory контроллеры компании Schneider снабжены встроенными Web-серверами, выпущен ОРС-сервер Factory Server, созданы модули, обеспечивающие взаимодействие контроллеров с сетями Ethernet.
8. Здания с интеллектом
Чтобы понять суть "интеллектуальности офиса", рассмотрим гипотетический пример, когда доступ в здание офиса осуществляется на основе радио-карточек сотрудников. При перемещении по зданию, оборудованному считывателями информации с этих карточек, автоматически определяется текущее местонахождение сотрудника. Вечером сотрудники, покидая здание, проходят через турникеты, которые оповещают системы здания о том, какие сотрудники покинули рабочие места. Система определяет, что в каком-то помещении нет сотрудников, и обеспечивает выключение компьютеров (если их забыли выключить), уменьшение температуры воздуха, выключение света, блокирование доступа в компьютерную сеть с рабочих мест отсутствующих сотрудников и т. д. Вот так достаточно тривиально можно представить явные преимущества новых решений в области строительства современных офисных зданий на Западе.
Известно, что скорость возврата инвестиций в строительство напрямую зависит от применяемых технологий. Поскольку строительство занимает относительно немного времени (обычно 1-3 года), а эксплуатация - весь срок жизни здания, то расходы на эксплуатацию могут составлять значительную часть общей стоимости недвижимого имущества. Поэтому заказчики и инвесторы пытаются найти оптимальный баланс между стоимостью строительства и расходами на эксплуатацию сооружений.
Один из немаловажных факторов снижения стоимости здания - сокращение эксплуатационных расходов. К их числу относятся расходы на потребление энерго- и теплоресурсов, расходы, связанные с численностью персонала службы эксплуатации, расходы по обеспечению безопасности недвижимого имущества и снижению рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и др. Именно развитие современных технологий должно существенно помочь в снижении эксплуатационных расходов на содержание зданий. Одним из таких решений является концепция "интеллектуального здания" (intellectual Building). В первоначальном смысле понятие "интеллектуальное здание" означает здание, "способное приспосабливаться к изменениям окружающей среды".
В чем принципиальное отличие "интеллектуального здания" от обычного? Ответ прост: само здание "беспокоится" о состоянии систем и условиях жизни его обитателей, предоставляя им принципиально иные уровни комфорта и безопасности. Автоматизированные комплексы управления не только включают, выключают и регулируют работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения и электроснабжения, но и информируют оператора о возможных неполадках в системах, напоминают о необходимости проведения работ по их обслуживанию.
Традиционные решения инженерного оборудования здания представляют собой совокупность автономных, не взаимодействующих между собой систем. Здание, в котором эти системы объединены в интегрированный комплекс и правильно организованы, уже можно относить к интеллектуальному. "Интеллектуальное здание" - это и здание, и комплекс систем, и "технология".
9. Концепция построения "интеллектуальных" зданий
"Интеллектуальное" здание отличается, главным образом, возможностью программировать управляющие системы таким образом, чтобы реакция на события внутри здания происходила по заранее определенным алгоритмам. Все системы жизнеобеспечения могут охватываться единой кабельной структурой, либо каждая из них строится на основе своих кабельных систем. Инженерное оборудование современного здания представляет собой комплекс систем "безопасности-жизнеобеспечения-информатизации".
В состав комплекса технических средств безопасности входят система управления доступом, система охранно-тревожной сигнализации, система телевизионного наблюдения, система сбора и обработки информации, система пожарной сигнализации и оповещения о пожаре, система автоматического пожаротушения.
Комплекс систем жизнеобеспечения - это система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, система управления микроклиматом, система бесперебойного электроснабжения, система удаленного мониторинга и управления электроснабжением, системы освещения и управления освещением, система учета энергоносителей, системы контроля и управления лифтами, эскалаторами.
К комплексу систем информатизации относят локальную вычислительную сеть (ЛВС), систему приема кабельного и спутникового телевидения, систему радиофикации, телефонную сеть, систему проведения конференций, средства оперативной радиосвязи персонала и другие системы.
Все эти комплексы построены на основе структурированной кабельной системы (СКС) и управляются из единого центра диспетчеризации. Интеграция перечисленных выше систем обеспечивает повышенный уровень безопасности здания в целом, четкое взаимодействие всех инженерных систем с приоритетом системы пожарной безопасности. Кроме того, поддерживается сетевая структура управления с автоматическим контролем, обработкой и хранением информации о состоянии систем с единого диспетчерского пульта управления, автоматический и ручной режимы управления. Можно выделить пять уровней интеграции внутри здания: уровень инженерного оборудования, уровень транспортной среды (кабельных систем), уровень информационных систем (ЛВС, телефонных и других систем передачи данных), уровень программного обеспечения и уровень диспетчерской системы.
Любая диспетчерская система построена по одному принципу: объект управления - субъект управления (диспетчер). Между ними находится система интерфейсов - кабельная среда, контроллеры, система обработки информации, программное обеспечение.
В кабельной основе большинства "интеллектуальных заданий" лежит СКС. Как известно, СКС предназначена для организации физического уровня системы передачи информации в локальных вычислительных и телекоммуникационных сетях. Она обеспечивает быстрое и легкое изменение конфигурации кабельной системы посредством перекоммутирования. Конфигурация СКС и применяемое оборудование обеспечивают возможность наращивания системы без нарушения работоспособности смонтированной части системы.
СКС вместе с силовой электросетью здания (объединенная кабельная система) обеспечивает передачу и распределение электроэнергии и информации, а также мониторинг и управление системами "интеллектуального здания".
10. Принцип построения
В вышеперечисленные системы входит периферийное оборудование, состоящее из различных датчиков, реагирующих на те или иные изменения, абонентское оборудование (телефонные аппараты, динамики) и вычислитель, предназначенный для сбора и обработки информации, поступающей с датчиков, либо усиления, коммутации сигналов для остального периферийного оборудования. Все это оборудование объединяется в так называемые радиальные схемы построения и трудно увязывается в единый комплекс.
Поэтому в отличие от традиционно принятых схем оснащения зданий техническими средствами для "интеллектуального здания" применяется система коммуникаций, при которой создается так называемая информационная транспортная магистраль. Внутри ее осуществляется передача информации и управляющих сигналов от вычислителя к периферийному оборудованию и наоборот. При оснащении здания создается информационное кольцо, по которому передаются сигналы от всех систем, существующих в офисе. Каждый из этих сигналов попадает в вычислитель и выполняет необходимое действие, но поскольку в этом кольце присутствуют все сигналы, то создаются условия, при которых становится возможным централизованное управление всеми системами.
К кабельным структурам "интеллектуального здания" относят:
- информационная сеть (Ethernet). Разводка в пределах этажа делается на основе витой пары 5 категории, а между этажами применяют волоконно-оптический кабель или витую пару категории 5 и выше;
- замкнутая кабельная пожарная система на основе RS 485. Провода укладываются по периметру объекта петлей для увеличения надежности и отказоустойчивости системы;
- замкнутая кабельная система защиты от проникновения (RS 485);
- замкнутая кабельная система сервисных служб (контроль освещения, расхода электроэнергии, воды и т. д.);
- сеть передачи информации от системы видеонаблюдения;
- телефонная сеть.
11. Стандарты интеграции
Так как "интеллектуальное здание" оснащается различными системами и оборудованием от разных производителей, то очень важно, чтобы все технические устройства были совместимы. Для этих целей разработаны стандарты открытой архитектуры, предоставляющие одни и те же правила (протоколы) для обмена данными. В настоящее время широкое распространение в области систем управления зданиями получили стандарты BACnet, LonWorks и EIB.
Протокол BACnet (Building Automation Control Networks) - это сетевой протокол для автоматизации зданий, предложенный ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и воздушному кондиционированию). Это национальный стандарт США. BACnet предусматривает использование программируемых контроллеров, причем они могут быть объединены в сеть с помощью различных сред. Контроллеры являются промежуточным звеном между любыми устройствами, к которым они подключаются по нестандартным интерфейсам, а связь же между контроллерами и системой управления осуществляется по общей сети.
В Европе все большую популярность приобретает разработка компании Echelon Corporation - технология LonWorks (Local Operation Network) на базе протокола LonTalk. (BACNet тоже поддерживает протокол LonTalk). Первоначально стандарт LonWorks был разработан для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а в настоящее время уже используется при построении комплексных систем, включая системы безопасности и учета. В основе технологии LonWorks лежит специализированный сигнальный процессор Neuron Chip, для которого разработан язык Neuron С. Это позволяет реали-зовывать логику работы контроллера низкоуровневыми средствами, а также строить сеть контроля и управления, используя различные топологии (шина, звезда, кольцо или смешанные).
Одним из самых популярных решений является интеграция сети передачи данных от системы управления с помощью специального маршрутизатора, соединяющего сеть LonWorks с сетью ЛВС Ethernet. При этом станция контроля и управления "общается" с маршрутизатором по протоколу TCP/IP, а между маршрутизатором и контроллером используется протокол LonTalk.
Стандарт EIB (European Installation Bus) предназначен для управления энергопотреблением, освещением, жалюзями, микроклиматом и для контроля доступа. Это общеевропейский стандарт международной ассоциации EIBA (European Installation Bus Association), объединяющей более 100 ведущих европейских производителей электротехнической продукции. Данная "радио-шина" была разработана специально для дополнительного оснащения современной шинной техникой уже существующих коттеджей и квартир. Сегодня шина EIB "берет на себя" выполнение всех функций, связанных с управлением энергопотреблением, освещением, микроклиматом, оперативным контролем, охраной и сигнализацией, работой жалюзей, бытовой техникой и взаимодействием с другими системами.
12. Поставщики решений
Структура спроса и предложения на компоненты и решения "интеллектуального здания" определяется тем, что существуют две принципиально различные группы заказчиков. Для корпоративных заказчиков приоритеты распределены так: сокращение эксплуатационных расходов, требования к безопасности, и, наконец, - комфортные условия. В то же время потребности частных заказчиков ранжируются иначе: комфорт, безопасность, сокращение эксплуатационных расходов.
Остановимся на существующих решениях для корпоративного сегмента, которые составляют так называемую группу "тяжелых систем". К числу их производителей относятся Honeywell (www.honeyw-ell.com), Siemens (www.siemens.com), Johnson Controls (www.johnsonco-ntrols.com) и Andover Controls (www.andovercontrols.com). Они поставляют программно-аппаратные комплексы на базе программируемых сетевых микропроцессорных контроллеров, специализированные сетевые программы для рабочих мест операторов, администраторов и программистов, а также серверы баз данных для хранения и анализа событий. Поддерживают современные телекоммуникации и могут управлять всеми инженерными системами здания.
Для малого и среднего бизнеса могут использоваться решения, основанные на контроллерах, поддерживающих стандартные открытые шины EIB и LonWorks. Среди производством таких систем и компонентов Gira (www.gira.de), Lexel (www.lexel.com), Siemens, Honeywell и др. Эти решения могут управлять подсистемами вентиляции, отопления, кондиционирования и освещения. Они достаточно хорошо масштабируются, поскольку они открыты на уровне шины, и в одной системе могут работать контроллеры различных производителей.
Постепенно интерес к "интеллектуализации" зданий проявляется и в Украине, что демонстрируют, например, такие компании, как Domus Mobile (domusmobile.com.ua), АМИ (security.ami.ua), VSV (www.sat-vsv.kiev.ua), Элит-Сервис (www.elite-s.kiev.ua/kodos.html) и др.
Заключение
Внедрение системы "интеллектуального здания" позволяет значительно повысить экономичность, ликвидность, престижность, комфортность и функциональность здания или дома за счет уменьшения эксплуатационных расходов на содержание объекта, уменьшения опасности возникновения пожара, масштабируемости и гибкости системы, единого принципа управления всем электрооборудованием. Затраты на "интеллектуализацию" офиса окупаются в среднем через 3 года.
| Повышение гибкости | 28% |
| Обеспечение более безопасных и комфортных условий труда | 34% |
| Улучшение защиты | 44% |
| Интеграция операций | 47 % |
| Снижение энергопотребления | 69% |
Литература
1. Антонов А.В. Системный анализ. Методология. Построение модели: Учеб. пособие. — Обникс: ИАТЭ, 2001. — 272 с.
2. Богданов А.А. Тетология: В 3 т. — М., 1905—1924.
3. Венда В.Ф. Системы гибридного интеллекта: эволюция, психология, информатика. — М.: Машиностроение, 1990. — 448 с.
4. Волова В.Н. Основы теории систем и системного анализа/ В.Н. Волова, А.А. Денисов. — СПб.: СПбГТУ, 1997. — 510 с.
5. Волова В.Н. Методы формализованного представления систем/ В.Н. Волова, А.А. Денисов, Ф.Е. Темнигов. — СПб.: СПбГТУ, 1993. — 108 с.
6. Гасаров Д.В. Интеллетальные информационные системы. — М.: Высш. ш., 2003. — 431 с.
7. Гелшов В.М. Введение в АСУ. — Киев: Техника, 1974.
8. Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследования операций. — М.: Высш. ш., 1996. — 335 с.
9. Корячов В.П. Теоретичесие основы САПР: Учеб. для взов/
В.П. Корячо, В.М. Крейчи, И.П. Норенов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 400 с.
10. Мамионов А.Г. Основы построения АСУ: Учеб. для взов. — М.: Высш. ш., 1981. — 248 с.
11. Меньов А.В. Теоретичесие основы автоматизированного управления: Учеб. пособие. — М.: МГУП, 2002. — 176 с.
12. Острейовский В.А. Автоматизированные информационные системы в экономике: Учеб. пособие. — Ср т: СрГУ, 2000. — 165 с.
13. Острейовский В.А. Современные информационные технологии экономистам: Учеб. пособие. Ч. 1. Введение в автоматизированные информационные технологии. Ср т:СрГУ, 2000. — 72 с.
14. Автоматизированные информационные технологии в экономике/ Под ред. проф. Г.А. Титоренко. — М.: Компьютер, ЮНИТИ, 1998.— 400 с.
15. Автоматизированные информационные технологии в банковской деятельности / Под ред. проф. Г.А. Титоренко. — М.: Финстатинформ, 1997.
16. АСУ на промышленном предприятии: Методы создания: Справочник / С.Б. Михалев, Р.С. Седенов, А.С. Гринбер и др. — М.: Энергоатомиздат, 1989. 400 с.
17. Зелинский С.Э. Автоматизация управления предприятием К., Кондор,2008 – 518 с.
