GE Fanuc - современные средства построения АСУТП

В настоящее время к созданию АСУТП для новых объектов в промышленности и реконструкции действующих АСУТП предъявляется ряд весьма жестких требований экономического и технологического характера. Система должна быть разработана и внедрена в сжатые сроки, полностью соответствовать предъявляемым на объекте требованиям по безопасности и качеству управления, иметь возможность модернизации и наращивания. При этом на приобретение технических средств, проектирование и ввод в системы в эксплуатацию заказчиком выделяются минимальные финансовые ресурсы. Конечный пользователь системы должен иметь возможность обслуживать и модифицировать ее без участия разработчика при минимальных затратах на это.

Мировой опыт последних лет свидетельствует о том, что наилучшим образом задача построения АСУТП практически любого объекта в промышленности решается путем применения программируемых логических контроллеров (PLC, ПЛК) универсального назначения с отображением информации о состоянии технологического объекта управления на операторских панелях и персональных компьютерах.

При этом контроллер осуществляет сбор данных с технологического объекта управления, выполнение алгоритмов блокировок, противоаварийной защиты и регулирования, выдачу управляющих сигналов на исполнительные элементы. Контроллер представляет собой вычислительное устройство, спроектированное для применения в промышленности с учетом требований надежности, безотказности в работе, простоты в обслуживании. Вероятность отказа контроллера несравнимо меньше вероятности отказа компьютера, поэтому на современном производстве контроллеры и технологический объект составляют замкнутый контур, а компьютеры используются в режиме супервизора для визуализации хода процесса, отображения и протоколирования технологических параметров, ввода в систему команд оператора. Отказ компьютера не приводит к прекращению управления процессом. Для ввода в систему управления особо ответственных команд используются дублирующие операторскую станцию физические каналы, подключаемые к входам контроллера.

Одним из лидеров на рынке средств автоматизации промышленности является GE Fanuc - совместное предприятие известного концерна General Electric и японской фирмы Fanuc. При разработке контроллеров GE Fanuc Series 90 были использованы передовые технологические решения, ставшие реальностью только в 90-х годах - отсюда и название. Основу элементной базы GE Fanuc составляют КМОП-микросхемы высокой степени интеграции. Их применение в сочетании с технологией поверхностного монтажа позволило получить быстродействующие модули с высокой плотностью компонентов и небольшим выделением тепла. Модули ввода-вывода имеют оптронную развязку между каналами ввода-вывода и системной шиной, обеспечивающую изоляцию прочностью не менее 1500 В. Это обеспечивает живучесть системы управления в целом при нарушениях условий эксплуатации на объекте. Контроллеры характеризуются высокой надежностью и устойчивостью к воздействию окружающей среды.

Контроллеры GE Fanuc имеют модульную структуру рис.1, позволяющую гибко подбирать конфигурацию, исходя из потребностей заказчика. Чтобы обеспечить на объекте комплект ЗИП, необходимый для оперативного восстановления системы управления в случае выхода ее из строя, достаточно иметь несколько модулей. Типовым является требование восстановления работоспособности системы управления в течение часа с вероятностью не ниже 0.95, реально время замены отказавшего модуля составляет несколько минут благодаря хорошо продуманной конструкции установки модуля в контроллер и применению съемных клеммников, на которых выполняется весь электрический монтаж. Замена модуля серии 90-30 не требует никакого инструмента, для замены модуля 90-70 требуется открутить и закрутить всего один винт. Вся информация о конфигурации модуля, адресах каналов ввода-вывода, диапазонах аналоговых сигналов хранится в памяти контроллера, модуль перед его установкой не требует конфигурирования. В номенклатуру модулей входят модули аналогового и дискретного ввода-вывода, модули ввода сигналов от термопар и термометров сопротивления, специализированные быстродействующие модули для управления станками, коммуникационные устройства. Для построения распределенных АСУТП применяются модули удаленной периферии Genius и Field Control, имеющие единое адресное пространство с модулями ввода-вывода, устанавливаемыми в конструктив PLC.

Объединение в разработанную GE Fanuc промышленную сеть Genius контроллеров GE Fanuc и периферийных устройств Genius позволяет эффективно решать задачи построения дублированных систем управления и противоаварийной защиты. Технология GMR (Genius Modular Redundancy) обеспечивает синхронизацию центральных процессорных устройств и голосование в дублированных и троированных каналах ввода-вывода. При этом разработчик системы должен программировать логику ее работы как таковую, обработку дублирования GMR-система выполнит самостоятельно. На применение GMR- технологии в системах противоаварийной защиты имеется сертификат TUV. Базовым средством интегрирования контроллера GE Fanuc в систему управления технологическим процессом является пакет программ Logicmaster. Модули GE Fanuc не имеют конфигурационных переключателей и перемычек, все конфигурирование контроллера выполняется при помощи Logicmaster. Это же средство используется для программирования контроллеров, диагностики их технического состояния и отладки программ.

Для программирования контроллеров GE Fanuc обычно используется язык релейно-контактной логики, широко применяемый для приложений автоматизации промышленности. Logicmaster поддерживает структурированное написание программ с использованием процедур, присвоение символьных имен входам, выходам и ячейкам памяти, комментарии к строкам программы. Если задача управления требует выполнения сложных логических операций или расчетов, возможно программирование на языках C и State Logic. Обычно при работе с контроллерами в качестве устройства программирования используется портативный компьютер с установленным на нем программным обеспечением для программирования, подключаемый к контроллеру через последовательный порт. Этот же подход применяется и к GE Fanuc - используется Notebook с Logicmaster. Другим традиционным средством работы с PLC является портативный программатор. GE Fanuc выпускает портативные программаторы для своих контроллеров.

Современный подход к построению АСУТП предполагает наличие в составе системы единой станции инжиниринга как для нижнего уровня (PLC), так и для верхнего (SCADA-система на операторских станциях). Если для связи контроллеров с операторскими станциями используется сеть Ethernet, такой подход реализуется за счет применения Ethernet- версии Logicmaster. Для хранения программы пользователя в контроллере может использоваться EPROM, FLASH-память или RAM. Выбор способа хранения программы определяется разработчиком АСУТП. Если система выпускается тиражом в несколько штук, предпочтительнее на площадке системного интегратора записать конфигурацию в EPROM и отправить полностью запрограммированные контроллеры конечным пользователям. При изготовлении сложных единичных систем для отдельных пользователей с окончательной отладкой алгоритмов и программ непосредственно на объекте удобнее записать программу в RAM контроллера, предоставив обслуживающему персоналу возможность ее модернизации при необходимости. Для сохранения программы в RAM при выключенном питании PLC GE Fanuc комплектуются литиевой батарейкой. FLASH-память удачно подходит как для программирования контроллеров на территории изготовителя системы управления, так и для записи программ после отладки на объекте.

Ассортимент поставляемой GE Fanuc продукции - контроллеры, операторские панели, SCADA-программа Cimplicity HMI - достаточен для построения АСУТП любой сложности. При этом оборудование GE Fanuc открыто для стыковки с продукцией иных фирм. Базовая корзина контроллеров 90-70 выполнена в стандарте VME, контроллер поддерживает VME-устройства производства третьих фирм. Для подключения PLC GE Fanuc к шине Profibus выпускаются соответствующие коммуникационные устройства. Возможна связь контроллеров GE Fanuc с другими контроллерами и компьютерами по протоколу Modbus. Такая связь, например, реализована на компрессорной станции "Тума" предприятия Мострансгаз. Выпускаются также модули сопроцессора, для которых можно запрограммировать любой протокол обмена по последовательному порту RS-232 или RS- 485, как стандартный, так и нестандартный. Это дает возможность подключать к контроллеру любые устройства, имеющие в своем составе последовательный порт, и интегрировать PLC GE Fanuc в неоднородные системы. Для построения распределенных систем с большим расстоянием между контроллерами могут применяться модемы. При подключении контроллеров к сети Ethernet возможен обмен данными между PLC и компьютерами с применением DDE и ActiveX, что позволяет пользователю создавать собственное программное обеспечение для компьютеров, работающих совместно с оборудованием GE Fanuc.

В номенклатуру GE Fanuc series 90 входят три семейства - 90-70, 90-30 и 90-micro. Контроллеры 90-70 представляют собой мощные эффективные устройства, способные решать требующие высокого быстродействия задачи управления большой размерности, такие, как управление газовой турбиной и газоперекачивающим агрегатом в целом, противоаварийная защита крупнотоннажных агрегатов в химической промышленности и другие сложные и ответственные задачи. Семейство 90-30 составляют контроллеры, используемые для большинства промышленных приложений как в сосредоточенных, так и в распределенных системах. В его состав входят свыше 100 модулей центрального процессора, ввода-вывода и коммуникаций. Контроллеры 90-micro представляют собой моноблочные устройства с возможностью подключения блоков расширения, ориентированные на применение в недорогих компактных установках. Контроллеры серии 90 объединяет унифицированная система программирования -пакет Logicmaster 90. Для всех трех семейств применяется единый язык релейно-контактной логики, наиболее подходящий для приложений автоматизации промышленности.

Контроллеры семейств 90-70 и 90-30 можно включать в состав единой сети, что позволяет оптимально конфигурировать сложные распределенные АСУТП. Блоки питания контроллеров на 110/220 В переменного тока имеют выходы 24 В постоянного тока, которые можно использовать для питания датчиков. Контроллеры семейств 90-70 и 90-30 имеют модульную структуру, что позволяет гибко подбирать их конфигурацию, исходя из потребностей каждого отдельного заказчика. ПЛК 90-70 комплектуются из базовой корзины, блока питания, модулей ввода-вывода, коммуникационных процессоров и других устройств. Базовая корзина выполнена в стандарте VME, что позволяет включать в состав контроллера блоки производства третьих фирм. Если базовой корзины недостаточно для размещения требуемого количества модулей, возможно подключение нескольких корзин расширения. В номенклатуру 90-70 входит мощный 32-х разрядный высокоскоростной (64 МГц) центральный процессор, имеющий 1 Мбайт памяти и способный обслуживать до 12К входов/выходов. Время цикла оставляет 3-5 мс в зависимости от объема программы.

Семейство 90-30 также имеет модульный принцип построения. В отличие от 90-30 модули устанавливаются не в корзину, а на базовую плату. Базовая плата крепится к монтажной панели шкафа двумя винтами. Модули 90-30 спроектированы так, что для их снятия/установки не требуется никакого инструмента. Наряду с базовыми платами, в которые модуль центрального процессора вставляется в слот (всегда в первый), существуют и базовые платы, интегрированные с центральным процессором. В этом случае все слоты могут быть использованы для размещения модулей ввода-вывода. Насчитывается свыше 100 различных модулей GE Fanuc 90-30. Аналоговые модули ввода/вывода работают с напряжениями 0...10 В и -10...+10 В и с токами 4...20 мА и 0...20 мА. Высокая точность АЦП позволяет получить приемлемое качество при вводе сигналов 0...5 мА, часто встречающихся на объектах бывшего СССР. Это позволяет проводить поэтапную реконструкцию систем управления - вначале вместо устаревших средств вычислительной техники устанавливать ПЛК GE Fanuc, а в дальнейшем смонтировать современные датчики с преобразователями сигнала в ток 4...20 мА. После этого надо будет только модифицировать программное обеспечение контроллеров, сохранив установленные на первом этапе модули ввода.

В состав семейства 90-30 входят модули ввода сигналов от термопар и термометров сопротивления. Для подключения тензодатчиков, например, в задачах взвешивания, имеются модули АЦПс диапазонами входных сигналов ±25, ±50, ±100 мВ и разрешающей способностью до 8 мкВ. Имеются также счетчики и числоимпульсные выходы. Дискретные модули ввода работают с сигналами постоянного тока напряжением 5, 12 и 24 В, а также с сигналами переменного тока. Имеются модули высокой плотности, обслуживающие 32 канала. Дискретные модули вывода выпускаются как транзисторные, так и релейные. Транзисторные модули на 32 канала обеспечивают выходной ток до 0,5 А при напряжении 24 В. Существуют транзисторные модули с выходным током 2 А. Релейные модули способны коммутировать переменный ток 220 В силой до 8 А. Все модули ввода/вывода имеют изоляцию входных/выходных цепей от системной шины ПЛК, прочность изоляции составляет от 1500 до 2000 В.

Область применения контроллеров GE Fanuc довольно обширна. Системы управления газоперекачивающим агрегатом (САУ ГПА) на базе GE Fanuc 90-70 прошли межведомственные испытания в РАО "Газпром" и рекомендованы к применению. В настоящее время серийно выпускаются САУ ГПА и системы централизованного контроля и управления компрессорным цехом для "Газпрома" и "Укргазпрома". Ряд металлургических комбинатов успешно применяет GE Fanuc для автоматизации различных технологических процессов. Большое количество ПЛК GE Fanuc поступило в Россию в составе комплектной поставки оборудования для различных отраслей промышленности, в частности, пищевой и текстильной. ПЛК GE Fanuc активно используются известным концерном TetraPack для оснащения линий по упаковке. Довольно удачное и экономически эффективное решение было получено американской фирмой WorldCup при разработке компактной установки по фасовке пищевых продуктов. Данная установка представляет собой небольшой агрегат с ручной загрузкой/выгрузкой, осуществляющий дозирование продукта, заваривание стаканчиков и их маркировку. Управление установкой реализовано на контроллере 90-micro, а для контроля за температурой заваривающей головки используется автономный регулятор.

Контроллеры GE Fanuc характеризуются высокой надежностью. Наработка модулей на отказ составляет миллионы часов. Автору известны единичные случаи выхода из строя отдельных модулей, в большинстве случаев связанные с нарушениями условий эксплуатации. Количество поломок ничтожно мало по сравнению с количеством находящихся в эксплуатации контроллеров. Контроллеры GE Fanuc имеют сертификат TUV на применение в системах противоаварийной защиты. В соответствии с этим сертификатом допускается применение оборудования GE Fanuc - ПЛК90-70 и удаленной периферии Genius - в системах ПАЗ на объектах класса от 1 до 6 по классификации DIN VDE 0801. При этом безопасным положением является выключенное (0).

По взрывобезопасности контроллеры GE Fanuc сертифицированы Канадским институтом стандартов CSA и Американской лабораторией FM по категории, соответствующей классификации В1Г. Контроллеры GE Fanuc прошли метрологические испытания в Институте им. Менделеева (г.Санкт-Петербург), имеют сертификат Госстандарта России об утверждении типа средств измерения за №2342 от 11 июня 1998 года и включены в Государственный реестр средств измерений под №17303-98.