тда16 1 isa 88 в0

ТДА16-1 (20.07.16)

Стандарти ISA-88/95 та їх вплив на

розробку програмного забезпечення промислових

контролерів

Олександр Пупена ([email protected]) www.asu.in.ua

21.07.2016 ISA-88 [email protected] 1

Програма та місце проведення конференції – за посиланням

mailto:[email protected]

http://www.asu.in.ua/

https://drive.google.com/file/d/0B2FfwwwweBSVLTAtOGM2eHlsa3M/view?usp=sharing

Загальна архітектура


Проблеми інтеграції:

• технічного характеру: як дані відправити?

• функціонального характеру: як ув'язати функції цими даними? як представити об'єкти керування? які об'єкти потрібні?

Проблеми не тільки у вертикальній а і у горизонтальній інтеграції!

Проблеми функціональної інтеграції, це коли …


- Чебурашка, приборы! - Двести! - Что двести?! - А что приборы?

- Дай стан двигуна! - Що значить «стан» і що

значить «двигун»?

Інтегроване виробництво з точки зору ISA 95

Level 4

Level 0

Level 1

Level 2

Level 3

Business Logistics Plant Production Scheduling, Shipping,

Receiving, Inventory, etc

Manufacturing Operations Management

Dispatching, Detailed Production Scheduling, Production Tracking, ...

Batch Production

Control

Discrete Production

Control

Continuous Production

Control

ISA – IEC/ISO Interface Standards

IEC, OPC, & OMAC Interface Standards

ISA Functional Model

The production processes

ISA-95 1,2

ISA-95 3,4

ISA-88

ISA-TR88.02

ISA-106


Як вирішуються проблеми функціональної інтеграції в ISA-88/95?

• означення «онтології» виробничого підприємства - моделі виробничих даних: що представляти, як представляти, в якій послідовності обмінюватися

• означення ієрархії керування, концепції керування на різних рівнях

• платформонезалежність методики: незалежність від засобів, мов, парадигм побудови АСУТП (будь які DCS, PLC+SCADA, PC-base, навіть ручне керування!)


Онтоло́гія — представлення деякою мовою знань про певну предметну область (середовище, світ).

Онтологію неодмінно супроводжує деяка концепція цієї області інтересів. Найчастіше ця концепція

виражається за допомогою визначення базових об’єктів (індивідуумів, атрибутів, процесів) і відношень між ними. Визначення цих об'єктів і відношень між ними зазвичай називають концептуалізацією.

https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D1%96%D1%8F_(%D1%96%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0)



Означення продукту: Як (роботи), з чого

(матеріали) на чому (обладнання, ресурси) виготовити продукт?

Доступні ресурси: Що є для виготовлення продукту

(в т.ч. обладнання)?

Виробничий план: Коли і з якими ресурсами (в т.ч. обладнання) планується

виробляти продукт?

Фактичні показники виробництва:

Як проходить (проходило) виготовлення продукту?

Ключові моделі ISA-88/95

Виробництво

• Однакові основні ідеї для всіх стандартів ISA-88/95/106

• ISA-88 – основи для періодичного виробництва (АСУТП + частково АСУВ)

• ISA-95 – на базі ідей ISA-88, тому краще починати вивчення з ISA-88

• ISA-106 (в роботі) – ідеї ISA-88/95 …


Взаємодія керівних діяльностей на різних рівнях керування


контролери/DCS

Інформаційні потоки


Інтеграція АСКТП і MES/MOM


…та ми інтегруємо з MES будь-який працюючий контролер!

Варто розробляти АСКТП з передбаченням їх інтеграції!

Огляд ISA 88 для керування періодичними процесами

Презентація: ISA88 основа стандарту інтегрованого виробництва

Вебінар - що таке ISA-88 та в чому його переваги


http://www.slideshare.net/pupenasan/isa88-61159007























Типи технологічних процесів (та виробництв)

Дискретні процеси/виробництво (Discrete processes) : - окремі вироби з окремих деталей

Неперервні процеси/виробництво (Continuous processes): - неперервний потік матеріалу через обладнання

Періодичні процеси / порційне (малосерійне) виробництво (batch process): - виробництво кінцевої кількості продукту (партії -

batch ) з певної кількості сировини, за обмежений період часу, з використанням певного обладнання за певним технологічним регламентом (рецептом);


Чому стандартизувати почали з Batch виробництва ?

• Багато продуктів • багато послідовностей виробництва & наборів параметрів • багато реакторів і динамічних груп обладнання • отже змінний шлях, при обмеженнях у використовуваному обладнанні/ресурсів

та часі

продукт рецепт обладнання


Batch процеси – виклики виробництва

Забезпечити якість і цілісність продукту

Інтеграція АСУТП з АСУП

швидке перемикання на інший продукт

Масштабування розміру партії під виробничі

потреби

Справжні batch-звіти і сильна

функціональність по звітам

Зміна послідовності операцій в он-лайн

Виробництво різної продукції на

різному обладнанні одночасно

Оптимізація виробництва партій

Забезпечити високий ККД обладнання

Координація ручних та

автоматичних дій


Batch процеси – виклики до систем керування • як технологу створити або модифікувати послідовність обробки в

технологічному регламенті без зміни програми в PLC/DCS?

• як робити декілька продуктів з різними послідовностями обробки?

• як розділяти між процесами спільні ресурси (напр., один і той же насос для різних груп танків)?

• як обробляти помилки проходження процесу (не обладнання!) в залежності від типу продукту (напр. якщо продукт протягом часу не дійшов до потрібної pH) ?

• як модифікувати технологічну послідовність (добавити новий етап) під час вироблення партій?

• як ефективно планувати (графіки) використання наявного обладнання і досягнути планового часу виробництва партії?

• як врахувати особливості виготовлення партії наступного разу і відстежити проходження продукту по всім етапам процесу (генеалогія)?

• як розробити ефективний та універсальний інтерфейс для приготування будь якого типу продукції, незалежно від рецепту? ISA 88 саме про це!


1-ший принцип ISA-88

керування технологією приготування продукту

керування обладнанням для виробництва

послідовність та технологічні параметри приготування конкретного типу продукту і конкретної партії:

"нагріти до 50 °С" але не "відкрити клапан пари TV1 на 100%"

керування конкретним обладнанням:

"відкрити клапан TV2" але не "приготувати кефір"

не думайте про це як неділиме ціле!

RECIPE (рецепт) EQUIPMENT (обладнання)

розділення типів керування: функції керування технологією приготування продукту і функцій керування обладнанням


Recipe & Equipment

• створенням рецепту і системи керування обладнанням займаються різні люди

• ISA-88 описує механізм як взаємодіють рецепти і системи керування обладнанням

декомпозиція + агрегатування


2-ий принцип ISA-88

декомпозиція + агрегатування

Структуризація (модульність) і технологічного процесу і обладнання

декомпозиція означення процесу

декомпозиція означення обладнання


Як це працює


Фізична модель обладнання

• Підприємство (Enterprise) • Виробнича площадка (Site) • Дільниця (Areas) • Технологічна комірка (process cell) • Апарат (Unit) • Агрегат (Equipment Module) • Модуль керування (Control Module)

ISA - 95

ISA - 88


Process cell

Технологічна комірка (process cell) вміщує в собі обладнання, яке необхідне для створення партій. • партія в межах однієї комірки • технологічні комірки можуть мати більше ніж одну лінію (train),

тому обладнання, що використовується для кожної окремо називають шляхом (path).

• може створювати декілька партій одночасно


Приклад технологічної комірки з 2-ма апаратами на 1 лінію

одна партія - різні процеси


Unit (Апарат)

Апарат (unit) - набір пов'язаних модулів керування та/або агрегатів та іншого технологічного обладнання, в яких можуть бути проведені один або більше основних процесів обробки. • може виробляти всю партію • може виробляти частину партії • може робити деякі процедури апарату для партії • НЕ може оперувати з декількома партіями одночасно

Хороший спосіб виділення апарату - виконує процедуру апарату.


Агрегат (Equipment Module)

Агрегат (Equipment Module, EM) : • може виконувати кінцеве число

конкретних незначних дій процесу • агрегати завжди виконуються якесь

процедурне керування (на відміну від модулів керування)

Equipment Module Control Module

Виконує процедурну (послідовну) логіку Забезпечує тільки базові функції керування (оперує

станами)

Підключається до обладнання через модулі

керування Безпосередньо з’єднаний з обладнанням

Зазвичай використовується для загального

доступу Не часто використовується для загального доступу

Може вміщувати модулі керування та інші

агрегати Може вміщувати тільки інші модулі керування

межа процес - обладнання


Модуль керування (Control Module) Модуль керування (Control Module, CM) : • набір датчиків, ВМ, інших CM і обладнання зв’язаного з ним, які з точки зору

керування, функціонують як єдине ціле • забезпечує пряме "підключення" процесу через виконавчі механізми та датчики. • отримують команди (відкрити, закрити, запустити, зупинити/запустити насос з

витратою 40 м3/год): • НЕ вміщують процедурного керування • переводять обладнання в стан (такі як відкривання, закривання, виконання, зупинка

або набір швидкості) • можуть надавати інформацію (наприклад, плинний стан або умова тривоги): status


Модуль керування (Control Module)

Режими (Modes) : • автоматичне керування; • ручний режим • імітаційний режим,

Дозволи (Permissives) Логіка зміни станів (State transition logic) – автомат станів. Логіка виявлення помилок та відмов (тривоги) (Error detection and failure logic (alarms)) – забезпечує зворотній зв'язок по експлуатації пристрою..


Приклад фізичного структурування

Апарат Агрегат Розміщується як

основне обладнання Розміщується як додаткове

обладнання Може бути запущено

декілька процедур

(виконання етапів)

одночасно

Як правило виконується

тільки одна процедура

(етап)

Може отримати різні

рецепти для кожного

продукту

Ті ж команди незалежно

від продукту

Самодостатній Як правило пов'язаний з

апаратом Може спілкуватися з

іншими апаратами і

загальними ресурсами

Отримує запити і команди,

тільки відповідає


Зв'язування рецепту і апаратурного об'єкту


Рецептурна процедура

технологічної комірки

(Recipe Process Cell

Procedure)

Рецептурна процедура

апарату (Recipe Unit

Procedure)

Операція рецепту

(Recipe Operation)

Етап рецепту

(Recipe Phase)

Керівний рецепт (Control Recipe)

Апаратурний об’єкт (Equipment Entity)

Посилається на необхідні дані:

-заголовок(header)

-формула(formula)

-вимоги до обладнання (equipment

requirements)

-іншу інформацію

Плинна інформація про

хід процесу

CM CM CM CM CM CM

EM EM EM

Апаратурний етап

(Equipment Phase)

Приклад розробки бібліотеки процедурних елементів


Побудова процедури з використанням мови PFC


Керування на базі станів


Принципи керування на базі станів

Стани вказують на плинне становище об'єкту керування (параметри стану), в залежності від якого виконується певний алгоритм керування; (стан-алгоритм) Перехід між станами керується внутрішньою логікою, командами значенням датчиків. Команди може відправити інший елемент або оператор через HMI для керування автоматом станів. Керування на базі станів (state-oriented) давно використовується багатьма програмістами та розробниками пристроїв, використовується в багатьох стандартах а не тільки ISA-88


Режими ISA-88

Режим(Mode) Поведінка (Behavior) Команда (Command) Автоматичний (Процедурне керування)

Як тільки будуть виконані відповідні умови переходи всередині процедури переходи проводяться відразу

Оператори можуть призупинити послідовність, але не можуть форсувати переходи

Автоматичний (Базове керування)

Апаратурні об’єкти самі виконують свої алгоритми керування

Обладнання не може керуватися оператором безпосередньо.

Напівавтоматичне (тільки процедурне)

Після того, як відповідні умови переходу виконалися, переход всередині процедури здійснюються після відповідної ручної команди

Оператори можуть призупинити послідовність або перенаправити виконання на відповідний пункт. Переходи не можуть бути форсовані.

Ручний (Процедурне)

Процедурні елементи всередині процедури виконуються в порядку, встановленому оператором.

Оператори можуть призупинити послідовність або форсувати переходи.

Ручний (Базове керування)

апаратурні об’єкти не виконують свої алгоритми керування

апаратурними об’єктами можна маніпулювати безпосередньо оператором.

Режим (Mode) - визначає як процедурний елемент або апаратурний об'єкт працюють і реагують на команди

Режим процедурних елементів – як відбувається перехід (автоматичний, напівавтоматичний, ручний)

Режим апаратурних об'єктів (базового керування) – хто керує виконавчим механізмом (автоматичний, ручний)


Стани процедурних елементів ISA-88


Автомат станів не тільки ISA-88: керування пристроями fieldbus


Profibus Slave

CanOpen NMT-Slave

Автомат станів не тільки ISA-88 : перетворювачі частоти (IEC 61800-7)


Позиція

Position

Швидкість

Velocity

Момент

Torque

Керування

переміщенням

Керування

швидкістю

Керування

моментом

зворотній зв'язок

Command

Status Керуюча

програма

Position

Velocity

Torque

Set-Points

Actual Values

ПЧ контролер

базові прикладні функції: керування

моментом, швидкістю, переміщенням

загальні функції керування ПЧ:

увімкнення, квітування тривог,

перемикання джерел керування

M

SE

дані

вводу/виводу

Автомат станів: перетворювачі частоти - приклади


Profidrive CiA 402

стани (STATUS)

команди/умови

переходів

(COMMAND)

Розробка каркасу ISA-88/95 сумісного керування (ІАСУ НУХТ)

• розробка ведеться для ПЛК (IEC 61131-3)

• може бути застосовна для будь-якої парадигми (PC-base, розподіленого керування) і будь-яких масштабів


Концепція 1. Equipment by ISA 88/95/106

Елементи каркасу: канали (DICH, DOCH, AICH, AOCH, COMCH), технологічні змінні (AIVAR, AOVAR, DIVAR , DOVAR), ВМ (запірні клапани, регулюючі клапани, двигуни, насоси)


Концепція 2. Процедурне та базове керування ISA 88/106

ISA 88 (Batch)

ISA 106 (Continues)


Концепція 3. Функціонування EM на базі автоматів станів ISA 88/106

ISA 106 (Continues) ISA 88 (Batch)


Концепція 3. Функціонування CM на базі автоматів станів ISA 88/106

Для CM обов'язковими є : • STA (STATUS + MODE) • CMD (COMMAND)


Концепція 4. Моделе-орієнтованість апаратурних об’єктів

Концепції: • алгоритм імітації в EM/CM • режим імітації в кожному EM/CM (апаратурному об'єкті) • ієрархічне керування режимами моделювання (наскрізне керування

режимом моделювання) • алгоритм імітації в реальному або іншому масштабі часу

Цілі: • налагодження ПЗ без наявного об'єкту • навчання персоналу без наявного об'єкту • діагностика на базі знань про структуру об'єкту (моделе-орієнтована) • прогнозування поведінки

Усі об'єкти підтримують режими (MODE): • ручний (форсування) або автоматичний; • нормальний режим або імітація


Концепція 5. Розділення RT та NRT даних SCADA/HMI та робота через буфер

Підхід потребує великого обсягу NRT (Non Real Time) даних: • конфігураційні (налаштування об'єктів), • налагоджувальні (кроки, час виконання кроків), • діагностичні (причина відмови за необхідності).

• потреби більшої кількості пам'яті і розрахунків => сучасні ПЛК значно потужніші

• потреби більшої пропускної здатності => тотальний перехід на технології Ethernet або/та розділення трафіку (згрупованих у різних зонах пам'яті)

• більша кількість тегів отже більша вартість SCADA => робота з NRT даними через буферну змінну


Концепція 5. Обмін NRT даними через буфер

CFG_BUFER

ПЛК

SCADA/HMI

CFGi

CFG_BUFER

CMD=READ_CFG CMi_HMI

CMi

CFGj

CMj

CMj_HMI

CMi_HMI

CFG DATA

CMD=READ_CFG CMD=WRITE_CFG

CMj_HMI

RT DATA

RT DATA


Архітектура обладнання нижнього рівня

CM LVL0: рівень абстрагування від обладнання, "канали"

CM LVL1: рівень технологічних змінних

CM LVL2: рівень пристроїв та виконавчих механізмів

агрегати (Equipment Module)

апарати (Unit)


CM LVL0 LVL0 (рівень абстрагування від обладнання, "канали"): канали контролеру - для діагностики каналу, прив’язки логічних каналів до фізичних. Об’єднуються в масиви: DICH[0..n] - дискретні вхідні канали, DOCH[0..n] - дискретні вихідні канали, AICH[0..n] - аналогові вхідні канали, AOCH[0..n] - аналогові вихідні канали, COMCH[0..n] – комунікаційні канали

STATE: • значення (для DICH/DOCH) • надання діагностичної інформацію вищим рівням CM, як мінімум - ознаки

достовірності, максимум - причину відмови каналу; • передбачають режим форсування значення; • показують факт прив’язки до каналу технологічної змінної;

COMMAND: • діагностувати (отримати причину відмови); • прочитати/записати параметри • форсувати

VALUE: • значення для аналогових/числових каналів;


CM LVL1

LVL1 (рівень технологічних змінних): для повної обробки даних з процесу, включаючи прив’язку до каналу, фільтрацію, масштабування, інверсію і т.п.; для зручності відлагодження процесу; для функцій імітаційного моделювання; для функцій технологічної сигналізації; Мають унікальні назви: AIVAR - аналогові вхідні, AOVAR - аналогові вихідні, DIVAR - дискретні вхідні, DOVAR - дискретні вихідні:


CM LVL1 • прив’язка до каналу по його номеру в масиві

• відключення з обслуговування (деактивація змінної)

• відслідковування достовірності значення по помилці прив’язаного каналу, виходу за діапазон вимірювальної величини, тощо;

• діагностика роботи каналу (передача діагностичної інформації з прив’язаного «каналу» на верхній рівень)

• обробка вхідного/вихідного значення: масштабування (в т.ч. кусочно-лінійна інтерполяція), фільтрування, інвертування;

• наявність режиму ручної зміни (форсування); відповідно до ISA-88 - «ручний режим»

• наявність режиму імітації, в якому для вхідних змінних, значення змінюється CM-мами верхнього рівня, а для вихідних змінних, відбувається замороження значень вихідних каналів

• обробка тривог (ISA 18.2): реагування на порогові значення, врахування затримки на спрацювання, гістерезис, формування загального системного біту аварії/попередження;

• конфігурування обробки тривог (ISA 18.2): налаштування значень тривог, типів тривог (аварія/попередження/відмова каналу), тимчасове зняття тривоги з обслуговування;


Приклад налаштування технологічних змінних (LVL1) і динамічне зв'язування з (LVL0)


зв'язування

Варіанти реалізації: ПЛК, PC-base + існуючі RIO + існуючі ПЧ (PDS)


канали I/O

AICH AICH DICH AOCH AOCH DOCH CM LVL0

AIVAR AOVAR DIVAR DOVAR динамічне зв'язування CM LVL1

CM LVL2 PID LOGIC

статичний зв'язок


апарат (Unit)

SCADA/HMI

датчики/ВМ

AICH AOCH

RIO

AIVAR AOVAR

PID

PDS

PID

Target Valocity

Speed

AIVAR AOVAR

PID

PID

Можливі варіанти реалізації: ПЛК, PC-base + свої RIO + свої регулятори


канали I/O

AICH AICH DICH AOCH AOCH DOCH CM LVL0

AIVAR AOVAR DIVAR DOVAR CM LVL1

CM LVL2 PID LOGIC


апарат (Unit)

SCADA/HMI

датчики/ВМ

AICH AOCH

RIO

AIVAR AOVAR

PID

AICH AOCH

регулятор

AIVAR AOVAR

PID

Можливі варіанти реалізації: свої RIO + свої регулятори (ака DCS) …


канали I/O

CM LVL0

CM LVL1

CM LVL2


апарат (Unit)

SCADA/HMI

датчики/ВМ

AICH AOCH

регулятор

AIVAR AOVAR

PID

AICH

датчик

AIVAR

AOCH

ВМ

AOVAR

PID

координуючий контролер

Питання?


тда16 1 isa 88 в0

Engineering