使用SCADA,HMI和PLC的工业自动化

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所属分类:传感器技术 西门子
使用SCADA,HMI和PLC的工业自动化

 

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统。

HMI是Human Machine Interface 的缩写,“人机接口”,也叫人机界面。

PLC控制系统,Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器,专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置

 

随着20世纪80年代个人计算机(PC)的引入,工业自动化发生了革命性的变化。工业自动化是使用自动控制设备,如可编程逻辑控制器(PLC),计算机数字控制(CNC),远程终端单元(RTU)等来控制工业过程和机器代替劳动力装配、操作、干预危险的自动化。

使用SCADA,HMI和PLC的工业自动化

存在各种过程变量,例如温度,流量,压力,距离和液位,可以通过复杂的微处理器系统或基于个人计算机(PC)的数据处理控制器同时感测,处理和控制。它们的设计使其能够承受温度,压力和其他极端环境条件,同时又准确,高效,及时响应且经济实惠。

工业自动化的功能要素

工业自动化系统由各种元件组成,彼此同步,执行工业过程的传感,控制,监控和监控等功能。

下图显示了工业自动化系统的各种功能元件。

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图1:工业自动化的不同功能水平

在功能上,工业自动化系统包括:

现场级(传感器和执行器),

控制级,监控,生产控制级(SCADA)

信息与企业级(MES和ERP)

现场级别

在最低级别,我们找到安装在现场的传感器和执行器。传感器用于收集物理过程信号和测量值,如流量,压力,温度等,并将其转换为电气或气动形式。来自这些传感器的信号用于处理,分析和决策以产生控制输出。可编程逻辑控制器(PLC),RTU等控制系统连接到这些传感器,通过根据程序和设定值处理信号来产生所需的输出。然后,控制器产生计算的输出,并作为电气或气动信号输入施加到致动元件。

控制水平

该级别包括控制元件,基于微处理器的电子控制器或简单的工业计算机,它们接受来自各种传感器的信号以及来自操作人员的命令信号。这些控制器可以是模拟或数字系统,具体取决于控制性质的结构。来自传感器的信号由控制器处理,根据控制结构产生控制输出到各种致动装置。在现有的现代控制设备中,PLC是工业自动化系统中使用最广泛的强大控制器,可根据传感器输入提供自动控制功能。

可编程逻辑控制器(PLC)是一种基于微处理器的特殊控制器,它使用可编程存储器来存储指令并实现逻辑,排序,定时,计数和算术等功能,以控制机器和过程。PLC具有坚固的CPU,数字I / O,模拟I / O和通信模块,因此它们可以在工业环境条件下运行,以使用根据工业过程编写的程序控制各种过程参数。它们使用个人计算机上的应用软件进行编程。该软件允许用户创建,编辑,记录,存储和排除程序故障。PLC最常用的编程语言是梯形图编程,任何操作员都可以更容易地理解,操作,编写和调试。

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图2:西门子PLC示例

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图3:PLC在一个行业中的实现

程序员将程序编写,调试并安装到PLC中。然后PLC执行称为程序扫描的重复操作循环。其中它扫描输入设备并更新指示其状态的存储器表。接下来,PLC执行其梯形图程序并更新存储器表,该表指示输出设备是打开还是关闭。根据此输出表,PLC会更改输出设备的状态。

PLC的例子有Allen Bradley PLC 5,Allen Bradley SLC500,Siemens的SIMATIC PLC,Omron Plc,ABB plc等。

PLC具有灵活性,易于实现变更和纠正错误,大量接触,低成本,先导运行,目视观察,易编程方法,可靠性和可维护性以及文档等优点。使用PLC的唯一缺点是它使用固定程序用于应用程序,在某些情况下,只有通过有线控制才能实现故障安全操作。

监督控制和生产控制水平

下一级控制是监督控制,它控制较小的子系统。它主要由过程计算机和人机界面(HMI)组成。这些个人计算机执行高级控制操作,如设定点计算,性能监控,诊断,启动,关闭和其他紧急操作。大多数系统包含此级别的分布控制系统(DCS)或监控和数据采集(SCADA)以及人机界面(HMI)。

SCADA概念是作为远程访问各种本地控制模块的通用手段而开发的,这些模块可以来自不同的制造商,允许通过标准自动化协议进行访问。他们可以控制大规模的流程,包括多个站点,可以在很远的距离和小距离上工作。

SCADA系统主要由工厂计算机,监控计算机,多个远程终端单元(RTU)/可编程逻辑控制器(PLC)和通信基础设施组成。

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图4:典型的SCADA系统

  1. 工厂计算机:它是一台PC或大型计算机,带有必要的软件,负责与现场设备(如RTUS,PLC等)通信.SCADA系统通过HMI模拟形式向操作员提供信息。即,操作员可以看到被控制的工厂的表示。例如,考虑连接到管道的泵。操作员可以观察到泵正在运行以及泵送多少流体通过管道。他可以在需要时关闭泵。
  1. 监控计算机:指负责与现场连接控制器PLC,RTU和HMI软件通信的计算机和软件。这些计算机收集有关进程的数据,并将控制命令发送到现场连接的设备。在较小的SCADA系统中,监控计算机是具有HMI的单个PC。而较大的SCADA系统在客户端计算机上托管了多个HMI,其中有多个服务器用于数据采集,分布式软件应用程序和灾难恢复站点。
  1. 多个远程终端单元(RTU)或可编程逻辑控制器(PLC):实际控制由RTU和PLC自动执行。它们直接连接到物理设备并从开关或阀门读取状态数据:读取压力,流量,电压或电流等测量值。根据程序的不同,它们处理信号并向控制设备发送适当的信号,如关闭开关,电机速度控制等。
  1. 通信基础设施: - SCADA系统使用无线电和直接串行或调制解调器连接的组合来满足通信要求。在大型站点,使用以太网和IP over SONET。这将监控计算机系统连接到RTU和PLC,并且可以使用行业标准或制造商专有协议。它们在过程的近实时控制下自动运行。但即使在通信网络故障期间,过程也会继 因此,一些关键系统将具有双冗余数据高速公路。

有效的SCADA系统可以显着节省时间和金钱。现代SCADA系统允许从世界任何地方访问工厂车间的实时数据。这使政府,企业和个人能够就如何改进流程做出数据驱动的决策。通过在多个站点上使用单个系统和称为Panorama SCADA系统的大距离来集中控制。它可以同时监视和控制多个系统和进程。这些应用程序的范围从50个变量到1,600,000个I / O操作。这种系统的供应商之一是Electro与Codra合作。如果没有SCADA软件,即使不是不可能收集足够的数据来做出一致的明智决策也是非常困难的。

人机接口(HMI)或人机接口(MMI)是一种软件应用程序,它向操作员或用户提供有关过程状态的信息,并接受和实现操作员控制指令。HMI有助于将人类整合到复杂的技术系统中。

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良好的HMI可以提供与外部设备的真实和自然的交互。它们有助于减少错误,提高系统和用户效率,提高可靠性和可维护性,提高生产率,提高用户接受度,舒适度,减少培训,减少压力等。

信息和企业级别

这是更复杂的工业自动化的顶级水平。它使用人工智能来管理整个自动化系统。该级别主要负责生产计划,客户和市场分析,订单和销售等商业活动。它不太关注技术方面。

工业通信网络将信息从一个级别传输到另一个级别,从而提供连续的信息流。它可能会有不同的级别。例如,RS485,CAN,Device Net等。

因此,如果我们绘制一个图表来表示这些级别,我们就会得到一个金字塔。顶级由企业级组成,底部由传感器和执行器组成。在底层,我们获得有关流程的详细信息,随着我们的上传,信息变得更加聚合或复杂。

使用SCADA,HMI和PLC的工业自动化

使用SCADA系统的自动化可以在大多数系统中找到。它可以在现代工业中找到:能源,食品和饮料,制造业,石油和天然气,电力,回收,运输,水和废水等。此外,在当地超市等日常生活应用中,跟踪能源使用情况住宅,多层建筑等的电梯控制

因此,毫无疑问,SCADA,HMI和PLC在当今的工业自动化中发挥着至关重要的作用。

 

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