Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Automatizační prostředky společnosti ZAT

číslo 2/2005

Automatizační prostředky společnosti ZAT

Společnost ZAT a. s., se sídlem v Příbrami, je tradičním dodavatelem automatizačních prostředků pro energetiku, těžbu nerostů, dopravu a průmysl. V této oblasti působí nepřetržitě déle než čtyřicet let. Její řídicí systémy nacházejí uplatnění zejména v nejnáročnějších úlohách se zvýšenými požadavky na provozní spolehlivost, nepřetržitou činnost a bezpečnost řízených technologických zařízení a procesů.

Nedílnou součástí většiny dodávek realizovaných společností ZAT je komplexní inženýrink, zahrnující zejména projektové zpracování individuálních požadavků zákazníků a veškeré související služby. Základem převažujícího počtu dodávaných řešení je vlastní řídicí systém ZAT – Plant Suite MP.

Řídicí systém ZAT – Plant Suite MP

Řídicí systém ZAT – Plant Suite MP lze rozdělit na dvě hlavní části, spojené průmyslovou komunikační linkou.

Obr. 1.

Obr. 1. Struktura řídicího systému ZAT – Plant Suite MP

Část systému na obr. 1 nahoře je v současné době často tvořena hierarchicky uspořádanými úrovněmi, zahrnujícími veškeré nástroje operátorského řízení a další systémy pro ukládání, zpracování a monitorování veškerých technologických dat. Stále častěji je vyžadováno propojení až na podnikové informační a řídicí systémy typu ERP. Tato úroveň je dnes všeobecně řešena s použitím počítačů standardu PC s operačním systémem Windows. Pro tvorbu jednotlivých aplikačních programů jsou v řídicím systému ZAT – Plant Suite MP nejčastěji využívány prostředky ze skupiny Factory Suite od firmy Wonderware, představující technickou špičku v dané oblasti. Zkušenosti jsou s používáním i jiných otevřených vizualizačních systémů (např. Reliance od firmy Geovap nebo ControlWeb od firmy Moravské přístroje). Pro jednoduché úlohy je k dispozici vlastní nástroj ZAT Grafik.

Část systému na obr. 1 dole, označená ZAT – 2000 MP, představuje úroveň řízení vlastního technologického procesu. Zahrnuje veškeré prostředky pro vykonávání řídicích algoritmů a připojení vstupů a výstupů technologického procesu. Hardware i software této úrovně vyvinula a vyrobila firma ZAT, přičemž byly široce využity otevřené standardy a integrovány komponenty a řešení třetích stran.

Automatizační prostředky ZAT – 2000 MP

Na úrovni řízení technologických procesů slouží v řídicích systémech ZAT několik různých typů řídicích automatů (systémů) vykonávajících algoritmy spojitého a logického řízení, systémy centralizovaného a decentralizovaného rozhraní vstupů a výstupů a rozsáhlý sortiment modulů pro přizpůsobení signálů. Jednotlivé prostředky se liší dobou svého vzniku, konstrukčním řešením, výpočetním výkonem, způsobem činnosti a taktéž použitými základními hardwarovými a softwarovými komponentami. Nicméně lze konstatovat, že sjednocujícím prvkem všech těchto prostředků je průmyslová komunikační sběrnice a možnost výstavby distribuovaného systému řízení. Děleno podle výchozích hardwarových komponent a pojetí funkce disponuje společnost ZAT dvěma různými základními prostředky.

Systémy ZAT-E s modernizovanými procesorovými deskami, ZAT-MP a ZAT-RTU jsou vystavěny kolem procesorů od firmy FreeScale (dříve Motorola) a řídicí algoritmy jsou zpracovávány interpretací zavedených konfiguračních dat definujících propojení početné množiny vnitřních funkčních bloků a hodnoty jejich parametrů. Řídicí systémy se navrhují, programují, odlaďují a oživují v jednotném prostředí založeném na grafickém propojování funkčních bloků.

Systém ZAT Primis 2000 je založen na procesorech Intel x86 a řídicí algoritmy jsou v něm vykonávány přímou exekucí zavedeného spustitelného kódu. Příslušný aplikační program se vytváří ve vyšším modulárně a strukturovaně orientovaném programovacím jazyku. Následně je přeložen a zaveden do řídicího systému. Veškeré prostředky a nástroje systému ZAT – 2000 MP jsou vyvinuty vlastními silami společnosti. Dodávané řídicí systémy společnost ZAT vyrábí ve vlastních provozech elektronických modulů a konečné montáže rozváděčových skříní.

Modulární rozhraní ZAT-M a ZAT-V

Hierarchicky nejníže v řídicím systému ZAT – Plant Suite MP jsou používány různé moduly pro úpravu, oddělení a přizpůsobení signálů z technologického procesu připojených na vstupy a výstupy řídicích automatů. Mnohé z těchto modulů jsou funkčně spjaty s konkrétními typy desek vstupů a výstupů, ostatní mají univerzální nebo také velice speciální použití. U binárních signálů jde především o přizpůsobení z důvodu výkonového, galvanického oddělení, spínání pomocných funkcí atd. U analogových signálů se jedná zejména o galvanické oddělení a různé převodníky stejnosměrných a střídavých napětí a proudů, často vázané na konkrétní typy čidel. Dále sem patří různé moduly elektrických ochran, jednoduchá funkční zapojení a komunikační převodníky. Lze sem zařadit i různé zdroje pro napájení měřicích okruhů. Tyto moduly jsou koncipovány pro montáž na lištu DIN a jejich sortiment lze rozšiřovat podle aktuální potřeby řízeného technologického zařízení.

Komunikace v systémech ZAT

Technologická i servisní data jsou v řídicím systému ZAT – Plant Suite MP přenášena po síti Ethernet v jednoduchém nebo dvojitém zálohovaném provedení s využitím širokého sortimentu průmyslově orientovaných komponent. Přenos zajišťuje vlastní uživatelská vrstva Pernet, vybudovaná nad skupinou protokolů TCP/IP. Pružně lze měnit jak fyzickou strukturu sítě, tak logické uspořádání jednotlivých uzlů komunikujících v režimu klient/server. Síť je určena k předávání technologických dat do nadřazené úrovně operátorského řízení a dále mezi jednotlivými řídicími automaty navzájem. Taktéž je využívána ke komunikaci inženýrské stanice s jednotlivými automaty pro jejich projektování, programování, odlaďování a diagnostiku.

Jako komunikační sběrnici lze také použít Profibus-FMS a pro jednoduché aplikace sériovou sběrnici s protokolem Modbus RTU.

Pro připojení decentralizovaných modulů vstupů a výstupů vlastního provedení nebo nakupovaných od třetích stran se na úrovni provozní sběrnice (fieldbus) používá sériová sběrnice Profibus-DP. Připojit různé externí automaty a přístroje lze také přes standardní rozhraní RS-232/422/485 s různými protokoly (Modbus RTU, EN 60870-5-101, EN 60870-5-103 atd.) či znakovými přenosy. Podporovány jsou též obsluhy modemových propojení.

Řídicí systém ZAT-E

Řídicí systém ZAT-E byl vyvinut a začal být používán již v první polovině 90. let minulého století. Pro společnost ZAT měl tento systém zásadní význam, neboť jí umožnil udržet si pozici na trhu dodavatelů techniky pro řízení spojitých technologických procesů proti tehdy razantně nastupující konkurenci zahraničních řídicích systémů. Významné bylo zejména použití softwarového systému InTouch od firmy Wonderware na platformě PC pro řešení vizualizace procesu a sériových sběrnic Profibus-FMS pro komunikaci na úrovni řídicích systémů a Profibus-DP pro připojení decentralizovaných modulů vstupů a výstupů ZAT-D. Systém ZAT-E byl postupně doplňován a funkčně rozšiřován a nyní je úspěšně používán v mnoha rozsáhlých řešeních. V poslední době je v mnoha případech modernizován výměnou původních procesorových desek. Výsledkem je podstatný vzrůst výpočetního výkonu a možnost komunikovat na úrovni řídicích systémů po Ethernetu. Takto modernizovaný systém se projektuje, programuje a udržuje v jednotném prostředí, společném i pro ostatní řídicí systémy ZAT.

Řídicí systém ZAT-MP

Řídicí systém ZAT-MP je koncipován jako výkonný prostředek pro zvládnutí všech požadavků moderního řízení spojitých technologických procesů. Z hlediska výstavby je otevřený, a tudíž umožňuje realizovat funkčně i prostorově distribuované řídicí funkce (jeho strukturu lze pružně modifikovat a rozšiřovat). Je založen na využití standardní paralelní sběrnice VME a využívá jak nakupované jednotky určené k provozu na této sběrnici, tak jednotky vlastní produkce. Tím je dosaženo velké variability jeho možných sestav a jejich výkonů. Systém existuje ve dvou základních modifikacích, lišících se výškou použité skříňky. Varianta s nízkou skříňkou na malé formáty desek výšky 3U je určena především k vazbě na decentralizovaný systém vstupů a výstupů vlastní produkce ZAT-D nebo I/O systémy třetích stran připojované zejména s použitím sběrnice Profibus-DP. Varianta s vanou na velké formáty desek (s výškou 6U) je vlastně systém s centralizovanými vstupy a výstupy využívající široký sortiment desek pro sběrnici VME vlastní produkce (typ ZAT-DV). Soubor těchto desek pokrývá všeobecné požadavky na připojení binárních a analogových signálů z řízeného technologického zařízení a do něj. K dispozici jsou i provedení se speciálními funkcemi (např. měření a vyhodnocování střídavých signálů, rychlé záznamy sekvencí událostí se vzorkováním po 1 ms atd.). Tuto variantu lze doplnit i vzdáleným připojením decentralizovaných vstupů a výstupů. Jednotkami nakupovanými od třetích stran jsou především procesory, komunikační jednotky s různými protokoly a popř. jednotky realizující zvláštní požadavky (např. sdílené zrcadlené paměti pro vytváření několikakanálových redundantních topologií). Systém je navržen tak, aby umožňoval volit různé stupně spolehlivosti provozu, dostupnosti funkce a bezpečnosti řízeného zařízení. Pro tyto účely lze použít zdvojené napájení jednotlivých automatů, zdvojené procesory v jedné vaně, zdvojené komunikační linky a popř. variantu skříňky umožňující výměnu jednotlivých desek za provozu. K dispozici je také varianta dvoukanálového provedení s redundancí celého automatu. V softwaru jsou vytvořeny modifikace funkčních bloků pro tvorbu řídicích programů zpracovávajících signály s příznaky platnosti jejich hodnot získané z vybraných vstupních desek. Při projektování, programování, ladění, oživování a diagnostikování se využívá jednotné vývojové prostředí řídicích systémů ZAT.

Decentralizované vstupy a výstupy ZAT-D

Soubor decentralizovaných vstupů a výstupů ZAT-D je tvořen množinou různých modulů pro připojení signálů z řízené technologie a do této technologie. Jednotlivé moduly jsou propojeny paralelní sběrnicí do sestav umístěných na lištu DIN a přes komunikační modul sériovou sběrnicí Profibus-DP do řídicího systému ZAT-E nebo ZAT-MP. V současné době je k dispozici modernizovaná varianta systému, označená ZAT-D2, u níž jsou jednotlivé moduly souboru umísťovány v mechanicky robustní plastové vaně po osmi; takto vzniklých stanic lze seřadit až osm za sebou. Mechanicky se opět umísťují na lištu DIN a komunikují s řídicím systémem taktéž po sběrnici Profibus-DP.

Decentralizaci systému vstupů a výstupů je možné chápat jako logické uspořádání nebo jako fyzickou dislokaci v rámci prostorového uspořádání řízeného technologického procesu. Fyzická dislokace přináší podstatnou výhodu danou redukcí nákladů na potřebné připojovací kabely.

Vedle systému decentralizovaných vstupů a výstupů ZAT-D se v řídicích systémech ZAT používají obdobné prostředky od externích dodavatelů. Jako významného představitele lze jmenovat soubor MTL 8000 s moduly s rozšířeným rozsahem provozních teplot a v provedení použitelném v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Řídicí systém ZAT-RTU

Řídicí systém ZAT-RTU je založen na využití širokého sortimentu modulů souboru decentralizovaných vstupů a výstupů ZAT-D a modernizované mechaniky pro umístění ZAT-D2 doplněné výkonnou procesorovou jednotkou. Takto vytvořený řídicí systém disponuje rozhraním Ethernet pro připojení ke komunikační síti a jednotným návrhovým, programovacím a servisním prostředím řídicích automatů ZAT. Jeho součástí je také modul sériových kanálů pro připojení různých externích přístrojů a zařízení. Řídicí automaty ZAT-RTU se typicky používají v úlohách s relativně malým počtem přímých vazeb (vstupů a výstupů) s technologickým zařízením.

Na základě řídicího systému ZAT-RTU je vytvořena např. speciální automatika pro řízení plynových, olejových a kombinovaných hořáků ZAT-BMS01, certifikovaná pro toto použití podle norem ČSN EN 298, ČSN EN 230, EN 746-2 a souvisejících předpisů. Sestava ZAT-BMS01 obsahuje řídicí automat ZAT-RTU s příslušným aplikačním programem a speciální reléový modul, pokrývající ve druhém kanálu bezpečnostní funkce automatiky. Při připojení sestavy ZAT-BMS01 k palivové armatuře a hlídači plamene s příslušnými certifikáty vznikne kompletní systém řízení hořáku (blíže viz Automa č. 8-9/2004, str. 96–97).

Řídicí systém ZAT Primis 2000

Řídicí systém ZAT Primis 2000 je relativně uzavřený, s možností programování a ladění pouze na lokální úrovni jednoho řídicího automatu. Prostřednictvím sdílení dat na úrovni komunikace mezi řídicími automaty může být plnohodnotně začleněn do sestavy distribuovaného řízení spolu s ostatními prostředky ZAT. Je založen na firemní paralelní sběrnici a jeho procesorová deska je osazena nakupovaným vestavným modulem standardu PC104. Disponuje souborem periferních desek s běžnými binárními a analogovými vstupy a výstupy včetně řady desek pro speciální použití (vyhodnocování otáček a ovládání vysokotlaké hydrauliky parní turbíny atd.). Ke každé vstupní a výstupní desce přísluší připojovací modul tzv. vnějších návazností montovaný na lištu DIN, který je k řídicímu systému připojen plochým kabelem. Dále je možné využít řadu rozšiřujících modulů pro vstupy a výstupy připojených prostřednictvím sběrnice CAN. Vedle běžných sériových sběrnic (Profibus, Modbus RTU, CAN) má systém ZAT Primis 2000 implementovánu také speciální firemní sběrnici RDD, založenou na standardu RS-485, která se na uživatelské úrovni jeví jako sdílení společných technologických dat několika vzájemně propojenými automaty na dálku. Topologie této sběrnice je uzavřená (měnit ji lze pouze novým vygenerováním celé sestavy), s předem definovanými datovými strukturami rámců přenášených z jednoho automatu do všech ostatních (broadcasting) a její obsluha je striktně deterministická (flying master – token passing acces). Pro zvýšení spolehlivosti provozu, dostupnosti funkce a bezpečnosti řízeného technologického zařízení je podporována výstavba různých topologií redundantních systémů od zdvojené sběrnice RDD, přes dvoukanálové uspořádání automatů až po tříkanálový systém s výběrem „2 ze 3„.

Projektování a programování systémů ZAT

Řídicí systémy ZAT-E, ZAT-MP a ZAT-RTU nyní disponují jednotným návrhovým, programovacím, ladicím a diagnostickým prostředím. Toto prostředí se skládá z části Pertinax RT, běžící v procesorové jednotce příslušného řídicího automatu, a programu Pertinax IDE, provozovaného na inženýrské stanici standardu PC pod operačním systémem Windows. Inženýrská stanice může být k automatu připojena lokálně sériovou linkou nebo může obsluhovat větší počet automatů zapojených v síti.

Systémový software Pertinax RT příslušného řídicího automatu obsahuje ovladače veškerého hardwaru a knihovnu funkčních bloků jako základ vykonávaných řídicích algoritmů. Zabezpečuje obsluhu všech funkcí procesorové jednotky a je konfigurovatelný z inženýrské stanice podle konkrétní sestavy hardwaru. Uživatelské řídicí programy obsahují data definující propojení a hodnoty parametrů jednotlivých funkčních bloků. Tato data jsou zavedena do automatu, kde je podle nich periodicky v reálném čase vykonáván výsledný řídicí algoritmus.

Integrované vývojové prostředí Pertinax IDE, provozované na inženýrské stanici, slouží k návrhu celé sestavy distribuovaného systému řízení (komunikačních datových vazeb mezi jednotlivými automaty), ke konfigurování hardwaru a systémového softwaru jednotlivých automatů, grafické tvorbě uživatelských řídicích programů (formou kreslení propojení parametrizovaných funkčních bloků), k překladu tohoto programu do dat zaváděných do automatu za běhu řídicích úloh a ke generování příslušné dokumentace. Dále disponuje komfortními nástroji pro ladění řídicích algoritmů, spočívající v modifikaci parametrů funkčních bloků, v číselném monitorování hodnot proměnných, grafickém sledování průběhů vybraných veličin a v simulaci vstupů algoritmů. V neposlední řadě slouží také k diagnostice hardwaru, systémového softwaru, běžících řídicích úloh a chování celého řídicího automatu.

Prostředí SoFIC pro programování, ladění a diagnostiku řídicího systému ZAT Primis 2000 tvoří exekutiva reálného času běžící v procesorové jednotce řídicího automatu a po sériové lince komunikující inženýrská stanice standardu PC. Exekutiva reálného času v řídicím automatu svojí stavbou přímo podporuje modulární programování tím, že nutí uživatele vytvářet řídicí program ve formě modulů, které se umísťují na vhodnou exekutivní úroveň s implicitně definovanou podmínkou spouštění v reálném čase. Příslušný modul se na danou úroveň zavádí ve formě přeloženého spustitelného kódu. Exekutiva je konfigurovatelná podle konkrétní sestavy hardwaru a obsahuje knihovnu funkčních bloků a služeb, které mohou používat jednotlivé řídicí programové moduly.

Na inženýrské stanici je provozována sada programů pro vytváření uživatelských řídicích modulů v technologicky orientovaném vyšším strukturovaném jazyce PL/C, podporujícím stavově nebo kombinačně orientovaný popis řídicího algoritmu, překlad těchto modulů do kódu procesoru a zavedení kódu do automatu za běhu řídicích úloh. Programové moduly lze také psát ve standardním jazyku C. Pro vytváření programových modulů s algoritmy spojitého řízení je k dispozici nadstavbový grafický editor pro kreslení funkčních blokových schémat. Součástí sady je nástroj pro ladění řídicích algoritmů spočívající v řízení módů exekuce, ovládání a výpisu diagnostických hlášení, číselném monitorování a simulaci hodnot proměnných a grafickém sledování průběhů vybraných veličin.

Přínosy použití řídicích systémů ZAT

Představené řídicí systémy od firmy ZAT umožňují vytvářet jednoduché, složitější i velice složité a rozsáhlé distribuované struktury pro řízení technologických procesů, včetně plnění mnoha speciálních požadavků uživatelů. Samozřejmými jsou velká spolehlivost vyráběného hardwaru a stabilita veškerého systémového, podpůrného a řídicího softwaru. Rozhodujícími vlastnostmi systémů ZAT jsou dostatečná otevřenost, schopnost pojmout řešení třetích stran a využívání mezinárodních standardů v oblasti hardwaru, komunikací i softwaru. Existence řídicího systému vzniklého vlastním vývojem umožňuje firmě ZAT poskytovat přímou a nezkreslenou uživatelskou podporu a dlouhodobý a v mnoha případech nadstandardní servis při zachování rozumných nákladů uživatele během životního cyklu systému. Svými řešeními firma ZAT významným způsobem přispívá k ochraně investic vynakládaných zákazníky na budování systémů řízení.

Jiří Vacátko, ZAT a. s.

ZAT a. s.
K Podlesí 541
tel.: 318 519 111
fax: 318 627 471
e-mail: zat@zat.cz
http://www.zat.cz