Типовая архитектура интегрированной автоматизированной системы

Интегрированная автоматизированная система – взаимосвязанная совокупность автоматизированных промышленных подсистем, функционирующих в едином информационном пространстве путем стандартизации представления информации на этапах проектирования, управления, эксплуатации технических средств.

В состав интегрированных автоматизированных систем могут входить следующие типы автоматизированных подсистем [1]:

· автоматизированные подсистемы проектирования САЕ, CAD, SCM – (САПР);

· автоматизированные подсистемы подготовки производства САМ, АСТПП;

· автоматизированные подсистемы управления производством и реализацией: SCADA, CNC, ERP, MRP-II, МЕС, АСУТП.

· автоматизированные системы обслуживания и эксплуатации CRM, SCM, СРС;

Их взаимосвязь показана на рис. 9.

Рис. 9. Состав ИАС

Расшифровки аббревиатур обозначений рисунка 9:

SCADA –Supervisory Control And Data Acquisition – визуализация, управления и обработки данных (диспетчерское управление производственными процессами);

CAD –Computer Aided Design – компьютерные технологии проектирования (автоматизированное проектирование);

САМ –Computer Aided Manufacturing – компьютерные технологии в производстве (система автоматизированного производства);

САЕ –Computer Aided Engineering – компьютерные технологии конструирования (автоматизированные системы инженерных расчётов);

САПР –Система автоматизированного проектирования (состоящие из комплекса программно-аппаратных средств автоматизации проектных, конструкторских, технологических и производственных работ).

PDM –Product Data Management – Управление проектными данными (системы для хранения, анализа передачи данных об изделии и процессах);

ERP –Enterprise Resource Planning – Планирование и автоматизированное управление предприятием;

MRPII – Manufacturing Requirement Planning – Планирование производства;

MES –Manufacturing Execution System – Производственная исполнительная система;

SCM –Supply Chain Management – Управление цепочками поставок (система управления поставками комплектующих);

CRM – Customer relationship Management – Управление взаимоотношениями с заказчиком;

CNC – Computer Numerical Control – Компьютерное числовое управление (системы числового программного управления СЧПУ).

СРС –Collaborative Product Commerce – Совместный электронный бизнес.

CASE – Computer Aided Software Engineering – Технология создания и сопровождения ПО различных систем.

В зависимости от того, какие задачи решает САПР, она может быть отнесена к одному из классов:

- CAD-системы – решают только конструкторские задачи; к центральным из них относят создание пространственной геометрической модели изделия и разработку чертежно-конструкторской документации. Некоторые системы (их иногда называют «плоскими») решают только задачи по компьютерному построению чертежей;

- САМ-системы – решают задачи формирования управляющих программ для обработки деталей на станках с ЧПУ; при этом модели деталей, на основании которых строится процесс обработки, не создаются в САМ-системе, а «принимаются» из CAD-системы через согласованные интерфейсы;

- CAD/CAM-системы – обеспечивают интегрированное решение задач конструкторского и технологического проектирования; здесь имеются средства как для построения моделей и выпуска чертежей, так и для программирования обработки на станках с ЧПУ; модель изделия может использоваться также для проектирования необходимой технологической оснастки (например, штампов или прессформ) ипоследующего сформирования управляющих программ для изготовления этой оснастки на станках с ЧПУ;

- САЕ-системы – решают задачи инженерного анализа, к которым относятся прочностные и тепловые расчеты, анализ процессов литья изделий из пластмасс или металлов и г. д.; эти системы, как правило, имеют собственные средства построения моделей, однако обычно используются модели, построенные в CAD- или CAD/CAM-системах;

- CAD/CAM/CAE-системы – решают весь комплекс перечисленных выше задач.

Перечень программных продуктов системы автоматизированного проектирования: Cimatron, CADDS, AutoCAD, CoolKey, Компас, Кредо.

Система Cimatron относится к классу CAD/CAM-систем. Она исполняется на этапах концептуального проектирования продукта, конструирования и подготовки производства до непосредственного выпуска продукта производства. При этом система может охватывать все предприятие или использоваться в отдельных крупных производственных подразделениях.

Основные характеристики CAD/САМ систем Cimatron:

- полнофункциональность, то есть возможность интегрированного решения широкого спектра задач в области проектирования изделий и конструкторско-технологической подготовки производства;

- простота в освоении и в использовании, что значительно ускоряет процесс внедрения системы и облегчает подготовку персонала;

- независимость от аппаратной платформы, то есть возможность полноценной работы с системой как на различных типах графических станций, так и на персональном компьютере;

- модульность, дающая возможность сконфигурировать каждое рабочее место в соответствии с требованиями пользователя;

- возможность создания собственных приложений на основе использования специальных инструментальных средств;

- широкий набор интерфейсов по данным, дающий возможность организовать эффективную интеграцию с другими CAD- и САЕ-системами;

- наличие документации на русском языке, высокий уровень поддержки пользователей, что особенно важно для отечественных предприятий. Благодаря платформенной независимости, Cimatron может работать в полном объеме на разных типах компьютеров.

Система поддерживает для каждого проектируемого объекта единую базу данных, которая содержит полную информацию о модели детали, ее чертеже и о технологических процессах обработки. Это является важным преимуществом системы и создает большие удобства при использовании. Благодаря единой базе данных, в системе реализован принцип ассоциативности, при котором любое изменение модели детали приводит к автоматической корректировке ее чертежа, а в ряде случаев и технологических процессов. Это существенно упрощает работу конструкторов и технологов и устраняет разночтения при неизбежных в ходе производства усовершенствованиях и корректировках.

1.4. Типовые функции уровней управления интегрированной системы

Общую схему интегрированных автоматизированных систем управления, для разнообразного спектра применения, можно представить в виде показанной на рис. 10

В системах промышленной автоматизации в зависимости от задач управления выделяют пять уровней:

I. Ввод/вывод (Input/Output – I/O). На данном уровне «работают» уст­ройства связи с объектом (УСО). К ним относятся датчики, исполнительные уст­ройства и устройства удалённого сбора данных и управления (УУ).

II. Управление вводом\выводом. Управление вводом/выводом чаше всего осуществляется программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Кроме того, имеется целый класс устройств – интеллектуальные датчики и интеллекту­альные исполнительные механизмы, которые реализуют в себе функции первого и второго уровней.

III. Диспетчерское управление и сбор данных (Supervisory Control and Data Acquisition – SCADA). Программное обеспечение SCADA-систем устанавливается на промышленные компьютеры, расположенные непосредственно в производственных зонах. Часто это про­мышленные и панельные рабочие станции с повышенной надёжностью.

IV. Управление процессом производства. На этом уровне работают системы автоматизации управленческой и финансово-хозяйственной деятельности.

V. Планирование ресурсов предприятия (уровень стратегического управле­ния).

Рассмотрим более подробно функции и задачи управления трёх нижних уровней.

Как уже отмечалось ранее, устройства связи с объектом включают программируемые логические контроллеры, сети и интерфейсы для связи с RTU (Remote Terminal Unit ), c датчиками, c исполнительными механизмами, электроавтоматикой (ЭЛА), которые устанавливаются на технологических объектах и оборудованиях производств.(рис. 11)

Рис. 10. Схема интегрированной автоматизированной системы управления.

В общем случае ЭЛА включают в себя:

- кнопки и выключатели панелей операторов;

- бесконтактные датчики и фотоэлементы;

- конечные переключатели типа концевых и путевых выключателей;

- контакты реле (тока, давления, температуры);

- цифровые выходы программируемых логических контроллеров и ЭВМ;

- другие контактные и бесконтактные элементы, сигнализирующие о состоянии исполнительных механизмов(открыто/закрыто, вкл./выкл.) и об аварийных ситуациях.

Сигналы с датчиков исполнительных механизмов, электроавтоматики, RTU передаются в контроллеры посредством модулей ввода/вывода. На рис. 12. показана схема модуля ввода/вывода, который предназначен не только для ввода/ввода, но и преобразования и гальванической изоляции сигналов управления объекта.

По количеству подключаемых сигналов различают МВВ на 4, 8, 16, 32, 64 и 128 каналов (входных и выходных).

Входные каналы МВВ сигналов опрашивают цепи ЭЛА, датчики и другие устройства: приходят сигналы типа AI и DI, которые переводят как аналоговый и дискретный ввод (I – Input – Ввод) соответственно. Тип сигналов аналогового ввода AI – это постоянное напряжение в диапазоне 0-5В, 0-10В, ±5В, ± 10В или ток в диапазонах 0-5 мА, 0-20мА, 4-20 мА. Типы сигналов дискретного ввода DI – это сигналы с уровнем напряжения 12, 24, 48 В постоянного тока, 120 и 240 В переменного тока с разными нагрузками по току. В качестве примера опроса сигналов электроавтоматики по входным каналам модуля рассмотрим приём от станка к контроллеру сигнала (рис. 12):

- «готовность» станка;

- кнопки режима станка «пуск», «автомат.», «наладка», «исходное», «стоп»;

- от переключателей «быстрый ход», «малый ход»;

- от ограничителей перемещения координат оборудования;

- от грубого и точного датчиков нулей координат оборудования;

- включения, выключения тех или иных механизмов.

Все эти сигналы дискретного типа DI, двухпозиционные и подаются на входы узла согласования (рис.12.). Если подаваемый сигнал в виде напряжения постоянного тока в пределах 0÷3В, узел согласования вырабатывает логический «0», что соответствует состоянию выключено; при напряжениях постоянного тока в диапазоне 20÷27В, вырабатывает логическую «1», что соответствует состоянию включено. Логические ноль и единицы записываются по программе в ячейки памяти со своим адресом. Например, 64 входных канала МВВ имеет 16 адресов, для каждого адреса по 4 бита. Информация о сигнале «включено\выключено» в цифровом виде поступает в контроллер и далее через сервер в базу данных ИАС и на панели операторов.

Рис. 12. Схема модуля ввода/вывода.

Сигналы с выходных каналов МВВ управляют посредством контроллера, работой сигнализирующих работу светодиодов, реле, магнитных клапанов и другими устройствами электроавтоматики. На рис.12 эти сигналы обозначены аналоговое АO и дискретные DO (О – Output – вывод). Работу выходных каналов МВВ проиллюстрируем примером передачи сигналов:

- «пуск» от CNC;

- включения, выключения тех или иных механизмов управляемых контроллером;

- аварийного останова;

- управления кнопками переключения режимов;

По программе контроллера сигналы низкого или высокого уровня записываются в ячейки памяти выходной информации и через узел передачи, оптронной развязки и коммутатор, усиливаются в узле согласования и передаются на станочное оборудования напряжением 0 В (выключено), либо 24 В (включено).

По способу размещения модулей ввода/вывода сигналов различают:

- локальный ввод/вывод;

- локальный ввод/вывод с расширением;

- удаленный ввод/вывод;

При локальном вводе/выводе МВВ размещаются непосредственно на том же шасси, что и процессорный блок. Недостатком локального ввода\вывода является ограничение слотов шасси у некоторых контроллеров, следовательно, и количество локальных вводов/выводов может быть тоже ограничено. Преимуществом локального ввода/вывода является высокая скорость обновления данных.

Локальный ввод\вывод с расширением позволяет увеличить количество модулей локального ввода\вывода путём добавления дополнительных шасси со слотами. Эти шасси соединяются между собой кабелем и могут быть отнесены не более чем на несколько десятков метров от модуля центрального процессора. Семейства контроллеров способны поддерживать десятки шасси расширения с большим количеством модулей ввода/вывода.

Удаленный ввод/вывод (рис.13) применяется для систем, в которых имеется большое количество датчиков и других полевых устройств, находящихся на достаточно большом расстоянии (1000 и более метров) от центрального процессора. Это относится и к объектам отраслей, часто находящихся на больших расстояниях от пунктов управления. Такой подход позволяет уменьшить стоимость линий связи за счет того, что модуля ввода/вывода размешаются вблизи полевых устройств. Поддержка удалённого ввода\вывода осуществляется с использованием модулей удалённый ведущий(активный) и удалённый ведомый(пассивный).

Удалённый ведущий модуль располагается в каркасе контроллера и соединяется кабелем с удалённым ведомым модулем, который находится в удалённом каркасе. Один ведущий модуль может поддерживать до 128 ведомых.

Рис.13 а Схема удаленного ввода/вывода

На рисунке 13 а представлена схема удалённого ввода\вывода, используемая контроллером фирмы «Koyo» Direct Logic DL205 с процессором D2-250, поддерживающим семь ведущих модулей ввода\вывода D2-RMSM, а каждый из которых поддерживает 32 ведомых.

РАЗДЕЛ 2.СРЕДСТВА СЕТЕВОЙ ПОДДЕРЖКИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ