 |
Распределенная
система управления Simatic PCS 7
Довольно сложная задача дать обзор системы управления в рамках одной небольшой
статьи. Ну что ж, попытка – не пытка.
Первый мой рассказ коснется довольно мощной АСУ ТП, которая известна в мире
автоматизации под брендом “Simatic PCS 7”. Точнее полное название системы звучит
“Simatic Process Control System 7”, что, по мнению ее производителя, компании
Siemens AG, подчеркивает заточенность этой системы на управление непрерывными
технологическими процессами. На самом деле название "Process Control System"
выбрано не совсем удачно, так как данная система одинаково хорошо справляется
как с непрерывным, так и последовательным (и даже рецептурным) управлением.
Simatic PCS 7 –
относительно молодая система, которая впервые была
представлена в 1996 году. Система стала логическим
продолжением общей фирменной концепции TIA (totally
integrated automation), предполагающей тесную интеграцию
большой линейки электротехнических продуктов Siemens в
рамках единой системы управления. На данный момент система
Simatic PCS 7, разменяв уже седьмую версию, имеет более 1500
инсталляций в мире. Наибольшее распространение и успех
система имеет в пищевом, химическом, стекольном, цементном и
металлургическом секторах промышленности. Во многом успех
системы объясняется тем, что она изначально разрабатывалась
на базе хорошо зарекомендовавших себя контроллерах семейства
Simatic, выпуск которых начался более 50 лет назад, а в
основу коммуникаций положили прогрессивные открытые
протоколы Profibus и Industrial Ethernet. Действительно,
зачем заново изобретать велосипед, когда все уже готово?
Верхний уровень
Что же такое Simatic PCS 7? Если взглянуть в брошюру, можно
увидеть следующую страшную картинку (рис. 1), иллюстрирующую
потенциальный размах и возможности системы (понятно, что в
реальных системах избегают такого зоопарка разноперого
железа). В принципе то, что показано ниже, и является
показательной интерпретацией упомянутой выше концепции TIA.
Рис.1. Общая архитектура системы Simatic
PCS 7.
Для более подробного обсуждения системы взглянем на
дружелюбный рисунок 2. На нем представлена более
правдоподобная конфигурация системы.
Рис. 2. Более правдоподобная
архитектура системы Simatic PCS 7.
Как видно, система имеет классическую трехуровневую
архитектуру, характерную для класса DCS (см.
статью “Что такое DCS”). На верхнем уровне располагаются
операторские станции, серверы, инженерные станции и много
чего другого. В общем случае в состав верхнего уровня могут
входить:
•Операторские станции (ОС-клиенты). Реализуют
человеко-машинный интерфейс.
•Серверы (ОС-серверы). Реализуют связь между операторскими
станциями и контроллерами. Также занимаются архивированием.
Опционально резервируются.
•Инженерные станции. Необходимы для технического
обслуживания, реконфигурирования и диагностики системы.
•Серверы CAS (central archive servers). Могут включаться в
состав системы для долговременного хранения истории в виде
базы данных SQL. Опционально резервируются.
•Серверы Web Navigator. Используются для предоставления
доступа к технологическим данным и архиву через
Web-интерфейс. Поддержка до 50 удаленных клиентов.
•Серверы Batch. Используются для рецептурного управления
процессом. Опционально резервируются.
•Серверы Route Control. Используются для управления
транспортировкой продукта по разветвленной системе
технологических маршрутов. Опционально резервируются.
•Серверы OPC. Нужны для доступа к реальным технологическим
данным и архивам по одноименному протоколу.
•Различные операторские панели и другие новомодные фишки.
Станции верхнего уровня объединяются сетью Industrial
Ethernet на базе витой пары и оптоволокна (terminal bus).
Поддерживаются следующие топологии сетей верхнего уровня, в
том числе и отказоустойчивые:
• Шина;
• Резервированная шина;
• Кольцо;
• Резервированное кольцо;
• Смешанная топология.
Сети верхнего уровня, как правило, строятся на базе
промышленных коммутаторов Siemens серии Scalance,
представленной довольно внушительным модельным рядом. На
самом деле с таким же успехом можно использовать
Ethernet-совместимые сетевые компоненты и других
производителей, но, естественно, производитель не
рекомендует этого делать.
Как и везде, у верхнего уровня Simatic PCS 7 есть свои
ограничения. В таблице 1 перечислены некоторые из них.
Табл. 1. Общие характеристики системы Simatic
PCS 7.
В общем, в рамках PCS 7 существуют две возможные схемы
построения верхнего уровня:
• Классическая схема “клиент-сервер”;
• Одиночные станции.
Первый вариант заключается в том, что в системе выделяют
общий сервер (или резервированную пару серверов), который с
одной стороны общается с подключенными к нему контроллерами,
а с другой – поставляет технологические данные операторским
станциям и другим клиентам. Этот вариант хорош, если
клиентов великое множество, а коммуникационная нагрузка на
контроллеры со стороны верхнего уровня должна быть
умеренной. Второй вариант предполагает прямое подключение
станций к контроллерам и хорошо подходит для небольших
систем, для которых наличие сервера - слишком дорогое
удовольствие. Приятно, что проектировщик системы не
ограничен фиксированной структурой верхнего уровня и имеет
свободу выбора оптимального решения.
Разберемся с программным обеспечением.
В состав PCS 7 входит развитая среда разработки Simatic
Manager, позволяющая централизовано создавать как аппаратную
(в том числе и сетевую) конфигурацию системы, так и
прикладное программное обеспечение. В основе конфигурации
системы лежит объектный подход, подразумевающий
пользовательское структурирование проекта под нужды
конкретного технологического процесса. Среда разработки, как
правило, устанавливается на отдельную инженерную станцию, с
которой после создания и компиляции проекта проводят его
загрузку в другие станции (не отрывая мягкого места от
стула).
Среда позволяет программировать контроллеры с использованием
всех стандартных языков: STL (= structured text), SCL (=instruction
list), SFC (=sequential function chart), FBD (=function
block diagram), LAD (=ladder diagram), СFC (=continuous flow
chart). Также поддерживается создание пользовательских
функциональных блоков, функций и шаблонов. Система
предлагает внушительную библиотеку функциональных блоков для
управления типовыми технологическими единицами (клапаны,
моторы, регуляторы и т.д.); кроме того, под заказ доступны
опциональные модули для конкретных производств (например,
для молочной промышленности). Опционально доступны
инструменты для конфигурирования рецептов в соответствие ISA
S88.01, заумный маршрутизатор продуктовых потоков и всякие
другие модные примочки типа Web Navigator.
Человеко-машинный интерфейс базируется на несколько
модифицированном пакете Simatic WinCC, который тесно связан
с проектом нижнего уровня. Так система Simatic PCS 7
автоматически выполняет такие рутинные операции как:
генерация тегов WinCC, символов и фейсплейтов; создание
системы навигации по мнемосхемам и многое другое. Короче,
все, что должно автоматически делаться в нормальной DCS, в
Simatic PCS 7 делается со свистом. Правда, иногда с
ошибками.
Добавим ложку дегтя. Самым большим недостатком PCS 7
является довольно мутная политика лицензирования
программного обеспечения, понять которую рядовому инженеру,
увы, очень сложно. Система лицензируется не по количеству
точек ввода/вывода, что было бы вполне логично, а по
количеству абстрактных процессных объектов (так называемых
process objects). О том, что же все-таки такое процессный
объект, расходятся мнения даже у специалистов Siemens.
Прибавьте то, что лицензии делятся на Runtime и Development,
различны для контроллеров, инженерных и операторских
станций, - в итоге получаем совсем мрачную картину. Короче,
без пол-литра не разберешься.
На аппаратном уровне операторские станции и серверы
базируются на промышленных компьютерах Siemens серии IL43.
Это довольно мощные и функциональные машины, обладающие
хорошими эксплуатационными характеристиками (см. статью “HMI
на базе операторских станций”). Поставляются с уже
предустановленным ПО Simatic PCS 7. Однако нельзя не
обратить внимания на некоторые недостатки. Во-первых, нет
поддержки резервированного питания, что для промышленного ПК
не очень хороший тон. Во-вторых, даже снабженные
RAID-массивом станции IL43 не поддерживают горячей замены
жестких дисков.
Уровень ПЛК
Идеология PCS7 предполагает использование контроллеров серии
Simatic S7-400 без организации на их базе локального
ввода/вывода. Это вовсе не означает, что в систему нельзя
интегрировать младшие серии ПЛК типа S7-300, но в этом
случае придется поднапрячься с инжинирингом.
Контроллеры серии S7-400 имеют классическую модульную
архитектуру (подробно рассмотренную в статье “Архитектура
контроллера РСУ”). На базовой панели (rack) размещаются
блоки питания (PSUs), процессорные модули (CPUs),
коммуникационные модули (CPs) и модули локального
ввода/вывода (IO modules). По поводу последних стоит
отметить, что концепция построения Simatic PCS 7 не делает
ставку на использование модулей локального ввода/вывода,
хотя в принципе такая возможность есть.
Очевидно, что основным аппаратным компонентом контроллера
является процессорный модуль, представленный достойным
модельным рядом: от скромного 412-го до “монстра”
промышленной автоматики 417-го. Модели различаются объемом
встроенной памяти и мощностью центрального процессора.
Функциональные характеристики контроллеров представлены в
таблице 2.
Табл. 2. Общие характеристики производительности ПЛК.
Бросаются в глаза довольно скромные возможности контроллеров
младших серий – например, рекомендуемое количество
аналоговых сигналов для CPU 414-3 около 50 с циклом 100 мс.
Это как-то плохо согласуется с ценой на модуль CPU в районе
4700 евро. Прибавьте источник питания, стойку, интерфейсный
модуль и получите в сумме стоимость более 9.2 тыс. евро.
Хотя такая открытая ценовая политика Siemens, конечно,
достойна уважения: цена на любой продукт автоматизации
общедоступна в официальных каталогах.
Оперативная память контроллеров не очень велика, поэтому для
выполнения более-менее серьезной программы память
увеличивают с помощью специальной карты расширения RAM,
которая вставляется в специальный слот на лицевой стороне
CPU. Можно вместо карты расширения RAM, вставить карту
EEPROM для резидентного хранения пользовательской программы,
но на практике это делают редко. Вот тут и заключается
главная загвоздка – можно либо расширить оперативную память
до приемлемого размера с помощью карты RAM (но при этом
теряется возможность энергонезависимого хранения программы
внутри контроллера), либо обеспечить резидентное хранение
программы при помощи карты EEPROM, оставив маленький объем
оперативной памяти. Компромисс невозможен – поэтому, как
правило, выбирают первый вариант. Де-факто
энергонезависимого хранения загруженной программы в
контроллерах S7-400 попросту нет. Справедливости ради
отмечу, что на блоках питания S7-400 предусмотрено место для
установки двух пальчиковых батареек (даже не
аккумуляторов!!!) номиналом 3.6 V, эти буферные батареи
позволяют сохранять программу и данные “горячего пуска” в
оперативной памяти в случае перебоя в питании. Однако за
состоянием батарей надо постоянно следить, да и не к лицу
промышленной технике пальчиковые батареи на “морде” (как на
детской игрушке, ей Богу).
Все процессорные модули имеют интегрированные интерфейсы для
подключения к сетям MPI и Profibus DP, некоторые могут даже
подключаться к сети Industrial Ethernet. Опциональные
коммуникационные модули добавляют поддержку других сетевых
протоколов и позволяют увеличить число используемых сетевых
интерфейсов. Доступны коммуникационные модули для сетей
Industrial Ethernet/Profinet, Profbus, PtP (RS232/RS485),
возможна загрузка драйвера для Modbus RTU. Прямо скажем, не
очень большой перечень. К тому же нет возможности подключать
к ПЛК оптоволоконные сегменты напрямую, необходимо
использовать медиаконверторы. А как же насчет поддержки
Foundation Fieldbus, CAN, DeviceNet, Interbus? Эти
“вражеские” протоколы подключаются к PCS 7 с помощью
сторонних конвертеров (типа AnyBus) и полдюжины программного
кода. А да, забыл про Profinet, который, по замыслу Сименса,
должен заменить и полевые шины Profibus, и сети верхнего
уровня Industrial Ethernet – т.е. привести все под один
стандарт. Что ж, такие коммуникационные модули тоже
появились и используются все чаще и чаще, хотя,
справедливости ради, отмечу, что стандарт Profinet
(фактически некая надстройка над обычным Ethernet) у нас еще
не очень прижился. Буржуи в этом плане гораздо дальше
продвинулись.
Блоки питания поддерживают входное напряжение 120/220 VAC
или 24 VDC и могут опционально резервироваться. Тут все
стандартно.
Самое большое разочарование – это громоздкость и внешний вид
контроллеров S7-400. Про громоздкость скажу лишь, что в
простейшей конфигурации “рэк - блок питания - процессорный
модуль - коммуникационный модуль IE” эта махина имеет
размеры 485x290x220 (W x H x D mm) и весит не меньше 5
килограммов. А про дизайн вообще молчу: если в далеком
1996-м году он был современен, то сейчас S7-400 имеет не
самый свежий вид. Для сравнения на рис. 3 представлены
фотографии процессора S7-400 (слева) и его “злейшего”
конкурента - контроллера M5 Plus Controller системы DeltaV
(справа). Почувствуйте разницу.
Табл. 3. Внешний вид контроллеров систем
PCS7 и DeltaV.
Контроллеры серии S7-400 могут полностью резервироваться и
естественно поддерживают резервированное подключение как к
сети верхнего уровня, так и к шине ввода/вывода. Правда, в
отличие от многих других систем, где переход от симплексного
варианта контроллера к резервированному осуществляется путем
установки на ту же базовую панель дополнительного
процессорного модуля и блока питания, резервированные
контроллеры системы PCS 7 представляют собой пару идентичных
модульных устройств, конструктивно разделенных и общающихся
между собой по внешней оптоволоконной шине синхронизации.
Это интересное решение позволяет разнести master unit и
slave unit на приличное расстояние друг от друга. Теперь
можно поместить “половинки” резервированного контроллера в
различные шкафы управления, что, конечно же, повышает
жизнеспособность системы в целом. Однако и тут есть один
нюанс: отнюдь не все модификации контроллеров 400-й серии
могут резервироваться, а только модели, которые имеют в
своем обозначении букву “H” (high reliable) 412-3H, 414-4H и
417-4H. Поэтому проектируя систему, инженер сразу должен
спрогнозировать то, какие контроллеры будут резервироваться,
предусмотрев для них именно серию H, так как переход на
резервированную конфигурацию путем простого добавления
симплексных модулей невозможен. Это сильно ограничивает
расширяемость системы управления. Прибавьте к этому
существенную разницу в цене между обычным процессорным
модулем и тем, что может работать в резервированном режиме.
Теперь пройдемся по нижнему уровню. Тут в системе PCS7
полный порядок. Разнообразие узлов удаленного ввода/вывода
явно поражает, даже можно сказать избыточно: здесь и ET200M,
и ET200S, и ET200eco, и ET200iSP, и черт знает что.
Остановимся на рассмотрении только двух серий ET200M и
ET200iSP, так они перекрывают практически весь требуемый от
подсистемы ввода/вывода функционал.
ET200М – это модульная система ввода/вывода на подобие той,
что была рассмотрена в статье “Полевой ввод/вывод”. На
профильную рейку последовательно монтируются стык в стык
активные шинные модули, которые при состыковке образуют
составную базовую панель с внутренней шинами передачи данных
и питания. Затем на базовую панель слева направо
устанавливаются: блок питания, интерфейсный модуль и линейка
модулей ввода/вывода (а также функциональные и
коммуникационные модули опционально). Всего на узле можно
установить не более 12 модулей ввода/вывода. При этом
имеется возможность дублировать блоки питания, интерфейсные
модули и модули ввода/вывода – т.е. на базе ET200M можно
собрать полностью резервированную подсистему ввода/вывода.
Номенклатура поддерживаемых модулей ввода/вывода довольно
обширна: аналоговые модулей (до 8 каналов), дискретные (до
64 каналов), модули с функцией HART, модули с расширенной
диагностикой, Ex-модули (искробезопасная цепь) и F-модули.
Помимо этого, узел ET200M можно снабдить функциональными
модулями, выполняющими специализированные задачи, такие как:
скоростной счет; позиционирование сервоприводов и шаговых
двигателей; весоизмерение и т.д. Но и это еще не все. При
необходимости на узел ET200M можно установить и
коммуникационные модули, которые добавляет дополнительные
интерфейсы для подключения к сетям Ethernet, Profibus (всех
видов), AS-Interface, Modbus. Стоит отметить, что
разработчики системы ввода/вывода ET200M смогли обеспечить
ее совместимость с популярной серией контроллеров S7-300 в
части используемых модулей. Так практически все модули
ввода/вывода, функциональные и коммуникационные модули,
используемые в контроллерах серии S7-300, с таким же успехом
подходят и для узлов ET200M. Подобная аппаратная
переносимость и совместимость, несомненно, оправдана, так
как сильно упрощает расширение и модернизацию существующих
систем управления на базе контроллеров S7-300.
Особенно радует возможность установки на ET200M модулей
ввода/вывода со востренной искрозащитой, причем эти модули
можно свободно сочетать со стандартными в рамках одного
узла.
Интерфейсные модули служат для подключения узла ввода/вывода
к коммуникационной шине на базе протокола Profibus DP.
Существуют модификация интерфейсного модуля для подключения
напрямую к оптическому каналу связи Profibus. Естественно,
доступно подключение узла к резервированной шине путем
установки двух интерфейсных модулей, а следовательно, и двух
источников питания. Недавно вышла модификация интерфейсного
модуля для подключения узла ввода/вывода к сети Profinet,
что является большим шагом на пути объединения полевой шины
и сети верхнего уровня. Однако в силу консерватизма
большинства проектировщиков АСУ ТП стандарт Profinet
довольно редко применяется на полевом уровне.
Горячая замена модулей, настройка (реконфигурирование)
модулей на лету, развитая аппаратная диагностика, свободная
компоновка узла плюс возможность полного резервирования –
это черты, характерные для подсистемы ввода/вывода на базе
ET200M. Более того разработчики PCS 7 умудрились реализовать
очень полезную возможность горячего добавления/удаления
целых узлов ввода/вывода без прерывания коммуникации на
полевой шине (так называемую технологию configuration in run,
CIR).
Теперь про ET200iSP. Много говорить тут не буду. Фактически
это та же самая система ET200M, только предназначения для
использования непосредственно во взрывоопасных зонах 1 и 2.
Более того, ET200iSP позволяет подключать полевые
устройства, находящиеся в зоне 0.
Как и в случае с ET200M, узлы ввода/вывода ET200iSP
поддерживают резервирование и горячую замену модулей (при
некоторых ограничениях). Общается ET200iSP с контроллерным
оборудованием по специальной искробезопасной шине стандарта
Profibus DP с физическим уровнем IS RS485. Для монтажа
ET200iSP Siemens производит серию компактных шкафчиков
EX-исполнения. Более подробно о системе ET200iSP
рассказывается в статье
"Системы искробезопасного удаленного ввода/вывода IS Remote IO".
Вообще стоит отметить, что Siemens предлагает огромную
номенклатуру различного оборудования полевого уровня, в том
числе и коммуникационного. Различные преобразователи,
каплеры (couplers), Y-линки позволяют практически без
ограничений комбинировать сегменты сетей стандартов Profibus
DP, Profibus PA, AS link, EIB внутри одной системы,
организовывая различные топологии. И все это производства
одной компании. Особенно приятно видеть поддержку Profibus
PA (причем искробезопасной вариации этого стандарта), сильно
популярного в Европе и набирающего популярность у нас.
Кстати, большая линейка продуктов автоматизации – это конек
Siemens.
Теперь самое интересное. PCS 7 – это не только
распределенная система управления, но и полноценная система
противоаварийной защиты (ESD – emergency shutdown system),
имеющая целую кипу крутых сертификатов и разрешений на
промышленное использование в России.
Решение ESD базируется на использовании:
1. Резервированных контроллеров серий 414FH/417FH,
характеризующихся повышенной надежностью,
отказоустойчивостью и высокой степенью безопасности.
2. Специальными модулями ввода/вывода (F-модулями) системы
ET200M. F-модули характеризуются резервированной внутренней
архитектурой, мощными возможностями по самодиагностики и
проверки подключенных сигнальных цепей + перевод выходов в
безопасное состояние.
3. Специального сетевого профиля ProfiSafe, являющегося, по
сути, небольшой надстройкой над обычным Profibus и полностью
с ним совместимым. С помощью профиля Profisafe система может
оперативно диагностировать (и в некоторых случаях
исправлять) искажение/потерю данных при их передачи по шине,
неверную адресацию, а также нарушение последовательности
сообщений.
Конфигурируется система ПАЗ с помощью специализированных
пакетов, органично вписывающихся в основную инженерную среду
Simatic Manager. К ним относятся библиотека функциональных
F-блоков для создания алгоритмов противоаварийной защиты (CFC),
а также интуитивно-понятный конфигуратор Safety Matrix.
Таким образом, вопрос бесшовной интеграции ПАЗ и РСУ
разработчики PCS 7 решили с чрезвычайной элегантностью, при
работе создается впечатление целостности и полноты всего
решения.
Есть и несколько нюансов. В каталоге PCS7 широко
рекламируется возможность разбиения пользовательской
программы управления на две части, одна из которых относится
к РСУ, другая – к функциям ПАЗ. При этом говорится о
возможности выполнения двух этих частей в рамках одного
контроллера. Может, в Европе это и является хорошим
решением, но в России в соответствие с нашими правилами
безопасности такой подход недопустим (по крайней мере, на
химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих
производствах). Да и принцип разделения ПАЗ и РСУ никто не
отменял.
Также в каталоге фигурируют нерезервированные модели
контроллеров ПАЗ – 414F и 417F (с одним ЦПУ). Очевидно, что
на серьезных производствах (химии, нефтехимии,
нефтепереработки, газопереработки), т.е. на объектах, где
обеспечение безопасности необходимо, 100-процентное
“горячее” резервирование контроллеров ПАЗ является
обязательным требованием. Разрешается ли в России применение
симплексных систем ПАЗ - для меня большой вопрос.
В целом система Simatic PCS 7 является добротным немецким
продуктом. В ее основу легли проверенные решения,
используемые Siemens на протяжении многих десятилетий.
Система предлагает полновесный функционал, полностью
отвечающий современным трендам и веяниям времени. Нельзя
сказать, что по диапазону выполняемых задач Simatic PCS 7
впереди планеты всей, но и не в числе отстающих – это точно.
Еще одним важным качеством системы является довольно
дружелюбный интерфейс разработки, который можно освоить
всего за несколько дней. Архитектура системы прозрачна и
универсальна, аппаратное и программное обеспечение хорошо
документировано (причем практически вся документация
переведена на русский язык), а огромная линейка оборудования
Siemens позволяет при построении системы выбирать из
множества вариантов решений. Как уже было упомянуто, картину
омрачает довольно ощутимая цена на компоненты системы,
которая в среднем выше, чем у конкурентов. Однако брэнд-нейм
Siemens делает свое благое дело, и система довольно
востребована. В общем, очень неплохая штука эта Simatic
PCS7. “Квадратиш, практиш, гут”.
|
|
