49421 (Цифровой мир производства и интеллектуальные здания)

Содержание

Введение

1. Средства промышленной автоматизации

2. Контроллеры

3. Промышленные сети

4. Промышленные компьютеры

5. SCADA-системы

6. ОС реального времени

7. Прозрачное предприятие

8. Здания с интеллектом

9. Концепция построения "интеллектуальных" зданий

10. Принцип построения

11. Стандарты интеграции

12. Поставщики решений

Заключение

Литература

Введение

Тема контрольной работы "Цифровой мир производства и интеллектуальные здания".

В истории человечества столетия принято именовать в соответствии с наиболее значимым технологическим прорывом, который имел место в это время. Конечно, все слышали о Бронзовом, Железном и Золотом веках. Прошедшее столетие называют Индустриальным веком, а век настоящий претендует стать Информационным.

Еще 15-20 лет назад мировая экономика имела дело исключительно с материальными ресурсами. Именно из-за них в прошлом веке произошли две мировые войны, множество локальных конфликтов, гражданских войн и революций. Земля и природные ресурсы (нефть, уголь, руда, минералы, лес), а также труд людей и мощь машин были необходимыми условиями роста национального валового продукта во всех странах мира. Это же составляло и суть основных фондов корпораций и предприятий.

100-200 лет назад природные ресурсы были главными источниками национального богатства. Потом "первую скрипку" играл капитал в виде денег, недвижимости и машин, а сегодня "материальный капитал" уступает место "капиталу интеллектуальному", лежащему в основе "информационной экономики".

В наше время знания и информация стали первичным сырьем экономики и ее важнейшей продукцией. Умение управлять интеллектуальным капиталом становится основной экономической задачей бизнеса.

Почему знания и так тесно связанная с ними информация составляют основу современной экономики? Отбросив множество доводов, остановимся лишь на некоторой цифровой интерпретации.

Рассмотрим, например, такой продукт, как микросхемы (чипы), без которых сегодня уже мало какая индустрия обходится. То, что стоимость всех продаваемых микросхем превышает стоимость выплавленной за такой же период той же стали, говорить не приходится. Если, например, Украина зарабатывает на производстве стали $5-6 млрд. в год, то доходы Тайваня на производстве чипов на порядок больше. Но суть даже не в этом. Если рассмотреть те чипы, которые изготавливаются из обыкновенного песка, то дороже всего обходится их проектирование и создание производящих их конвейеров, т. е. ценится интеллектуальное, а не материальное или физическое содержимое.

Каждые $6 из 9, затрачиваемых при производстве пары джинсов, тратятся на информацию, а не на покраску куска ткани, покрой и пошив "штанов". Адвокат или эксперт берут сотни долларов за час своей работы, оплачивая не свой стол, бумагу или компьютер. Это плата за их профессионализм (знания). Примеров эффективного использования знаний и информации можно приводить бесчисленное множество.

Сегодня даже деньги теряют свою физическую осязаемость, превращаясь в виртуальные купюры. Как это ни печально, знания воплощаются и в "умные бомбы", и в другие средства уничтожения людей.

Все современные компании стремятся быть интеллектуальными. Это уже неоспариваемый факт. Скептики скажут: "Без еды, одежды, домов, автомобилей не обойтись, и их не заменит никакая информация и знания о них". Конечно, нет. Крупнейший капиталист наших дней, председатель правления Microsoft Билл Гейтс тратит огромные средства на содержание роскошного особняка и модных автомобилей. Кстати, стал он таким именно благодаря производству интеллектуальной продукции. Значит, потребность в ней есть.

Индустриальная революция, начавшая индустриальный век, не отменила сельское хозяйство, потому что людям просто нужна пища. Информатизация не отменит легкую и пищевую промышленности, так как нам по-прежнему нужны джинсы, банки с пивом и колбаса. Не отменит и тяжелую промышленность, и автомобили, и самолеты. К сожалению, не отменит и производство вооружений.

Но новая (информационная) экономика и не ставит своей целью покончить со старой индустриальной экономикой, она только неузнаваемо изменит свою предшественницу.

1. Средства промышленной автоматизации

Недавно с автоматизацией "на уровне конторы", вроде бы, все начало более-менее проясняться, так как с применением персональных компьютеров связаны АСУП. А вот со спецификой вычислительных систем и программных средств, применяемых непосредственно в производстве, известно очень мало.

Цифровые технологии быстро вытесняют аналоговые, преобладавшие в системах управления технологическими процессами еще несколько лет назад. Это связано с тем, что возможности цифровых средств измерения и управления на порядок выше, чем у аналоговых:

- более точное представление измеряемых величин;

- большая помехозащищенность;

- возможности построения вычислительных сетей;

- большая гибкость и эффективность в управлении процессом и т. д.

Все эти возможности обеспечивают ускорение работы операторов системы управления, экономию финансовых ресурсов, повышение качества и корректности решений, принимаемых операторами, уменьшение потерь продукции.

В классической схеме промышленной автоматизации выделяют три уровня управления предприятием. Нижний уровень - это датчики и контроллеры, установленные непосредственно на производственных технологических линиях, оборудовании и конвейерах. Средний уровень - операторы процессов и начальники цехов (используют рабочие станции, как правило, промышленного исполнения). Высший уровень - это руководство предприятия, топ-менеджеры, которые используют обычные персональные компьютеры.

Самым нижним уровнем автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).

К функциям среднего уровня (уровня производственного участка) относятся; сбор информации от датчиков нижнего уровня, ее обработка и хранение, выработка управляющих сигналов на основе анализа информации и передача информации о производственном участке на более высокий уровень.

На верхнем уровне в АСУТП (уровне управления) осуществляется контроль за производством продукции через центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей:

- операторской части (отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления, выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления, обеспечивает диалог между системой и операторами);

- системы подготовки отчетов (выводит на экран, принтеры, в архивы информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе);

- системы анализа тенденций (позволяет оператору вести наблюдение за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы).

На верхнем уровне АСУТП размещены мощные компьютеры, а основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).

Технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом и цифровом видах, в современной АСУТП используют устройства связи с объектом - конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей.

По виду преобразуемого сигнала эти модули можно разделить на аналоговые, дискретные и цифровые.

По направлению прохождения данных модули можно разделить на:

- устройства ввода, обеспечивающие передачу сигналов датчиков;

- устройства вывода для формирования сигналов на исполнительные механизмы;

- двунаправленные.

2. Контроллеры

До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли (PLC Programable Logic Controllers - программируемые логические контроллеры), SoftPLC и DCS (Distribution Control System). Контроллеры DCS работают с распределенными устройствами на уровне датчиков и исполнительных устройств, имеющих свой встроенный "интеллект". Контроллеры с "централизованным интеллектом" (PLC) содержат процессор, обрабатывающий данные от датчиков и выдающий сигналы управления для управления исполнительными устройствами. В табл. 1 приведены средства программирования контроллеров PLC.

В последнее время в производстве в качестве контроллеров начали появляться миниатюрные PC-совместимые компьютеры. Их основное преимущество связано с открытостью. Кроме того, они очень похожи на ПК верхнего уровня (обычные ПК и серверы), что не требует дополнительных затрат на подготовку персонала. Они обладают более высокой надежностью, как физической, так и программной.

Таблица 1. Средства программирования PLC

3. Промышленные сети

Как было отмечено выше, типовые архитектуры АСУТП, как правило, включают в себя три уровня:

- датчики и исполнительные механизмы;

- контроллеры;

- автоматизированные рабочие места операторов и диспетчеров.

Между собой устройства этих уровней связаны различными интерфейсами, отражающими нынешнее состояние промышленных сетей.

Объединение интеллектуальных контроллеров, датчиков и исполнительных устройств в единую информационную сеть осуществляется благодаря Fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть). Fieldbus - это некая физическая коммуникационная технология объединения устройств и протокол их взаимодействия. Хотя Fieldbus очень похожа на офисную локальную вычислительную сеть, тем не менее, она обеспечивает ряд специфических функций. Это жесткая предсказуемость поведения, поддержка функций реального времени, повышенная надежность передачи данных, наличие высоконадежных механических соединительных компонентов.

Ниже приведены краткие характеристики основных промышленных сетей:

• BITbus. В ее основе лежит использование протокола SDLC, имеющего хорошие показатели по обнаружению ошибок. Структура такой сети всегда включает один ведущий (Master) узел и до 249 ведомых (Slave) узлов. Физический уровень основан на кабеле RS-485, но возможна работа и по оптическому кабелю;

• CANbus. Это последовательная шина с децентрализованным доступом к ней на основе модели CSMA/CA (множественный доступ с контролем несущей и встроенным механизмом разрешения коллизий). Существует несколько разновидностей CANbus, несовместимых друг с другом: CANopen, SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen Bradley), CAL (OA), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) и др.;

• Interbus. Все данные, передаваемые в этой сети, делятся на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. При этом реализуется процедура доступа к шине по схеме "Master/Slave". Топология Interbus - это физическое и логическое кольцо, для реализации которого используются две витые пары, а также дополнительный провод для передачи сигнала "Земля";

• LON. В основе LON-технологии лежит использование специального Neuron-кристалла для обработки сигналов. LON-сеть может со-

стоять из сегментов с различными физическими средами передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный канал, коаксиальный и оптический кабели. Максимальная размерность LON-сети - 32 ООО узлов;

• PROFIbus. Строится на совокупности трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA, каждый из которых имеет свою область применения на различных уровнях распределенной системы автоматизации. Протокол общего назначения PROFIBUS-FMS разработан для связи контроллеров и интеллектуальных устройств, и его основное назначение - передача больших объемов данных. Протокол PROFIBUS-DP "отвечает" за продолжительность цикла шины, а протокол PROFIBUS-PA используется в устройствах, работающих в опасных производствах.

4. Промышленные компьютеры

Причины использования промышленных компьютеров достаточно тривиальны. Они - не в высокой надежности или производительности промышленных компьютеров, а даже наоборот - многим промышленным компьютерам достаточно производительности устаревшего процессора х486.

Основная проблема - условия эксплуатации компьютера на промышленном предприятии. Промышленные компьютеры работают в пыли и грязи, в условиях вибраций и ударных нагрузок, бросков напряжения и других "неудобств" внешней среды.

Модульность и исключительные возможности расширения облегчают техническое обслуживание промышленных компьютеров и позволяют быстро заменять модули в случае их отказов. Материнская плата, как и другие периферийные устройства, вставляется в объединительную кросс-плату с большим числом разъемов. Так как промышленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных устройств, то количество разъемов в нем может достигать 20.