Программное обеспечение в АСУ ТП

Искусственные нейронные сети управления технологическими процессами
Часть 1. Основные понятия

Искусственные нейронные сети уже в течение многих лет с большим успехом используются в рамках стратегии управления технологическими процессами. В данной серии статей рассматривается процесс организации такой нейронной сети. В первой части описаны сетевая архитектура, управление пространством, типы данных, выбор набора данных и другие базовые положения создания нейронной модели.

Как следует уже из самого названия, искусственная нейронная сеть (ИНС) является построенной по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей математической моделью, а также ее программным или аппаратным воплощением. В ИНС нейрон, получивший свое название от своего биологического аналога, моделируется как небольшой сегмент компьютерного кода, который называется « персептрон ». В ИНС отдельные нейроны соединяются между собой в сеть, которая посредством специального обучения определяет, как ей реагировать на те или иные раздражители. Этот процесс является интерактивным, так как необходимо представить определенные воздействия, сравнить реакцию на них и выполнить необходимую коррекцию для ответа. Способность к обучению ИНС дает большую гибкость для получения ответа, лежащего в основе функционирования процесса, даже с его атрибутами, которые не являются очевидными, такими как установка, возраст оборудования, накопленные в нем изменения или какой-либо иной не поддающийся численному измерению параметр.

Цели использования нейронных сетевых моделей вытекают из их возможностей:

• моделирование линейных и нелинейных процессов;
• моделирование сложных для понимания процессов;
• имитация процессов, которые трудно смоделировать с помощью первопринципных уравнений ;
• моделирование процессов, основанных на не поддающихся измерению параметрах;
• сокращение времени разработки модели для сложных процессов.

Как видно, есть несколько моментов, когда нейронные сетевые модели могут быть полезны для управления производственными технологическими процессами.

Например, они могут использоваться в приложениях, в которых модель предположительно получает не внушающие доверия данные измерений, что может повлиять на рентабельность производства. Или в тех случаях, когда требующим управления процессом из-за запаздывания в получении контрольных измерений можно манипулировать только в дискретные интервалы времени. Например, процесс в качестве обратной связи для управления может использовать данные лабораторных анализов. Однако лабораторные измерения имеют определенное запаздывание по времени, результаты не могут быть получены мгновенно. ИНС может обучаться по лабораторным данным для создания своеобразного виртуального инструмента, который можно использовать для управления процессом на постоянной основе. Модели на базе контроллеров могут использовать нейронные сетевые модели вместо первопринципных. Такой подход позволяет сократить время разработки и управлять процессом в том случае, когда требуется одновременно и заданное значение, и управление его изменением с использованием нескольких переменных управления. Кроме того, в производстве всегда есть такие процессы, которые весьма тяжелы для их понимания, они протекают либо слишком сложно, либо быстро меняются, чтобы для их описания можно было использовать первопринципные модели. ИНС могут преуспеть в поиске базовой реакции процесса как отклик на определенное входное воздействие.

Программное обеспечение АСУ ТП его виды

Комплекс программ АСУ ТП состоит из двух типов:

Первый тип , это общее программное обеспечение — подходит для всех технических средств и не привязывается к какому-либо одному объекту. К этому типу относят операционные системы, SCADA-системы, пакеты программ для контроллеров, компиляторы, редакторы. Программное обеспечение покупается и поставляется, как и другие технические средства.

Второй тип, специальное программное обеспечение — это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП, и они отвечают за следующие этапы:

• Планирование ресурсов предприятия.
• Организационная стратегия интеграции производства и операций.
• Управления трудовыми ресурсами и финансами.

К этому виду относятся ресурсы, полученные из SCADA-системы. Это графический интерфейс, который позволяет построить и отобразить технологические процессы. Все эти программные продукты обеспечивают работу отдельного предприятия.

Состав АСУ ТП

1. Техническое обеспечение – комплекс технических средств получения информации о состоянии ТОУ, формирования и передачи информации, локального регулирования и управления вычислительной техники, представления информации оперативному персоналу, передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ, исполнительные устройства.

2. Программное обеспечение, состоящее из общего и специального. Общее программное обеспечение – организующие и транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и т. д. Специальное программное обеспечение – программы контроля и управления, реализующие функции АСУ ТП.

3. Информационное обеспечение – единая система классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, справочная и оперативная информация.

4. Организационное обеспечение – описание функциональной, технической и организационной структур, инструкции и регламенты для оперативного персонала.

5. Оперативный персонал – технологи-операторы, осуществляющие управление ТОУ, эксплуатационный персонал, обеспечивающий заданное функционирование системы в целом.

Сетевой уровень

Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станциями оператора. Основой этого уровня АСУТП можно считать цифровую промышленную сеть, состоящую из многих узлов, обмен информацией между которыми производится цифровым способом.

Уровень человеко-машинного интерфейса, обеспечивающий трудовую деятельность человека-оператора АСУТП в системе «человек-машина» (СЧМ), в иностранной интерпретации «HMI-Human-Mashine-Interface».

Состав

Сюда входит ряд обеспечений, каждое из которых выполняет свои функции. Среди них:

• информационное – это вся документация и нормативная база, которая применяется в процессе функционирования;
• техническое – совокупность всех машинных и инженерных средств, которые обеспечивают бесперебойную работу коммуникаций;
• программное – общее и специализированное ПО, которое используются для автоматизации АСУ ТП;
• организационное – акты, которые регулируют действия персонала, а также мероприятия, которые направлены на внедрение инновационных решений.
• метрологическое – использование всех методов, которые нужны для того, чтобы производить точные измерения всех необходимых параметров;
• эргономическое – перечень принятых мер, направленных на изучение психологических и физиологических характеристик пользователей;
• оперативный персонал – сотрудники, задачи которых – обслуживание и контроль работы.

Языки программирования ПЛК

При создании системы управления технологического процесса, всегда существует проблема по взаимопониманию программиста и технологов. Технолог скажет «нам надо немного подсыпать, чуть подмешать, еще подсыпать и чуть нагреть». И мало когда следует ждать от технолога формализованного описания алгоритма.

И получалось так, что программисту нужно долго вникать в тех. Процесс, потом писать программу. Зачастую при таком подходе программист остается единственным человеком, способным разобраться в своем творении, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Такая ситуация породила стремлении создание технологических языков программирования, доступные инженерам и технологам и максимально упрощающим процесс программирования

За последнее десятилетие появилось несколько технологических языков.

Более того, Международной Электротехнической Комиссией разработан стандарт МЭК-61131-3, концентрирующий все передовое в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов.

Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду, и по действию.

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

• Sequential Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков;
• Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм;
• Ladder Diagrams (LАD) – язык релейных диаграмм;
• Statement List (STL) – язык структурированного текста, язык высокого уровня. Напоминает собой Паскаль
• Instruction List (IL) – язык инструкций., это типичный ассемблер с аккумулятором и переходам по метке.

Язык LAD или KOP (с немецкого Kontaktplan) похожи на электрические схемы релейной логики. Поэтому инженерам не знающим мудреных языков программирования, не составит труда написать программу. Язык FBD напоминает создание схем на логических элементах. В каждом из этих языков есть свои минусы и плюсы.

Поэтому при выборе специалисты основываются в основном на личном опыте. Хотя большинство программных комплексов дают возможность переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой.

Так как некоторые задачи изящно и просто решаются на одном языке, а на другом придется столкнуться с некоторыми трудностями

Наибольшее распространение в настоящее время получили языки LAD, STL и FBD.

Большинство фирм изготовители ПЛК традиционно имеют собственные фирменные наработки в области инструментального программного обеспечения. Например такие как «Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens.

Программный комплекс CoDeSys

Открытость МЭК стандартов привели к созданию фирм занимающихся исключительно инструментами программирования ПЛК.

Наибольшей популярностью в мире пользуются комплекс CoDeSys. CoDeSys разработан фирмой 3S. Это универсальный инструмент программирования контроллеров на языках МЭК, не привязанной к какой-либо аппаратной платформе и удовлетворяющим всем современным требованиям.

Основные особенности:
— полноценная реализация МЭК языков
— встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств.

Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы
— встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку, т.е.

дает возможность создавать человеко-машинного интерфейса (HMI)
— очень широкий набор сервисных функции, ускоряющий работу программиста

— существует русская версия программы, и русская документация

Литература:
Современные технологии промышленной автоматизации: учебник / О. В. Шишов. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 273 с. ISBN 5-7103-1123-5

Затруднения в проведении

Несмотря на то, что положительных моментов от автоматизации огромное количество, существует ряд проблем, связанный с невозможностью ее осуществления стандартными компонентами. Среди них:

• Внедрение сетевого оборудования в общую систему. Качественное внедрение проектов невозможно без отладки и сопровождения. Основной проблемой остаются сетевые компоненты, которые являются связующим звеном между всеми датчиками, приборами, контроллерами. Для их совместной работы требуется единство стандартов, с помощью которых они смогут взаимодействовать. Если этого не будет, возможны аварии из-за обрыва основных каналов связи. Для предотвращения этого используются дублирующие каналы.
• Внедрение автоматизации в процессы. Работы по сборке на некоторых предприятиях составляют около половины всей затраченной энергии. Это вынуждает автоматизировать не только отдельные блоки, но и связывать их с другими отделами и процессами.

Все чаще системы становятся более сложными, а значит, требуют обслуживания высшего качества, которое не может быть достигнуто из-за нехватки квалифицированных кадров в профессии. Вследствие этого производители автоматизируют большую часть процессов и уменьшают влияние человека на работу.

Важно! Проблемой здесь может стать то, что на одних производствах уровень автоматизации может достигать 50%, а на других — всего 5%. Связано это со спецификой или отраслью производства, его сложностью.

Зачем уменьшать техпроцесс?

Как я уже говорил выше, оптимизация литографии ведет к размещению большего числа транзисторов на подложке меньшего размера. Говоря простым языком, на одной площади можно расположить не 1, а 1,5 млрд транзисторов, что ведет к повышению производительности без увеличения тепловыделения.

Таким образом устанавливается больше ядер, вспомогательных компонентов и систем управления шинами.

Коэффициент умножения системной шины процессора также возрастает, а значит и его мощь растет.

На данный момент оптимальными процессорами, которые вобрали в себя самое лучшее из современных технологий, можно назвать Intel 8700k и AMD Ryzen 1800x. Есть конечно и более новый вариант от «красных» в лице Ryzen 2700 (12 нм), но его производительность немного скромнее.Надеемся, вы поняли суть, которую я хотели донести до вас в этой статье. В следующих обзорах мы коснемся таких понятий как разгон, нагрев, охлаждение и прочих животрепещущих вопросов, которые требуют пояснения. Оставайтесь с нами и следите за новыми публикациями. Удачи!

Для тех, кто хочет знать больше:

У Вас весьма полезные статьи, я очень рада, что нашла Ваш блог и очень благодарна, что Вы его ведёте!

Пожалуйста. Спасибо за комментарий и вам за благодарность.)

Спасибо Андрей, очень полезная инфа

Народ, сколько ни читаю о техпроцессе и всё больше мне кажется, что этот показатель — глобальная афера производителей процессоров. Я понимаю смысл характеристики «тактовая частота». Из курса физики я знаю, что частота — это «сколько раз в секунду». Т. е. 3,5 ГГц — это 3,5 млрд. простых калькуляций в секунду. Чем быстрее процессор обсчитывает поступающую информацию, обрабатывает и выдаёт конечный результат процедуры, тем он мощнее, тут всё очевидно. Но почему 2 разных камня с одинаковой частотой, количеством ядер и кэша, но с разным техпроцессом, стоят порой в разы по-разному?! Ведь, будь у якобы крутого камня хоть 1 нм, но обсчитывает он один хрен со скоростью 3,5 ГГц, значит — скорость его работы ни на йоту не выше. От характеристики «техпроцесс» зависит степень нагреваемости и энергопотребления, что важно для смартфонов, ведь в них не впихнёшь большие батарейку и кулер, от этого пострадает компактность устройства, которое превратится в здоровый такой кирпич. Но для домашних и офисных ПК размер значения практически не имеет, вес может быть любой (один раз притащил, поставил и забыл), электричества в розетке — жопой жуй, кулер — можно хоть турбину от самолёта поставить. На хрена писать эту характеристику для ПК-шных камней?! Может мне-дураку кто объяснить, как 2 ПК-шных проца могут стоить 15000 и 60000, никак не отличаясь друг от друга, кроме техпроцесса? А может, важность техпроцесса — это афера, как с айфонами, которые стоят в 5-10 раз дороже китайцем, которые по тех. характеристикам вообще ничем не отличаются? Айфон продаёт своё яблоко на корпусе, шильдик, признак успешности, а некоторые производители чипов решили также продавать за дорого мифический техпроцесс, который никто из нас проверить не может?! Или у кого-то дома завалялись парочка электронных микроскопов?