Автоматизация - казалось бы, простое и понятное всем слово. Но каждый понимает под этим что-то своё и очень часто далёкое от тех определений, которые приводятся в книжках, произносятся на лекциях. Как-то встретил в метро земляка, которого не видел со школы, и поинтересовался, чем он занимается. Он ответил - автоматизацией. У меня в дипломе тоже написано "инженер по автоматизации". Только после уточнения выяснилось, что специфика его работы - это автоматизация бухгалтерского учета ("1С", "Анжелика" и т.д.), и к "моей" автоматизации она практически не имеет никакого отношения.

Автоматизация управления производством берёт начало в далёком 1959 году, когда на нефтехимическом заводе компании "Texaco" в городе Порт-Артур, штат Техас, был установлен компьютер Thomson Ramo Woolridge RW300, построенный на электронных лампах. Он следил за расходом, температурой, давлением и концентрацией на нефтеперегонном производстве, а также рассчитывал необходимые управляющие воздействия на основе обработки входной информации.

В дальнейшем расширение использования ЭВМ в промышленности происходило очень медленно из-за дороговизны компьютеров. Только гиганты промышленности могли себе позволить такую роскошь. Поэтому движение программирования в автоматизацию сверху застопорилось. Однако элементы программирования начали появляться в автоматизации с другой стороны - снизу. И, в первую очередь, этому обязаны программируемые логические контроллеры.

ПЛК

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) - это специальные микрокомпьютеры, предназначенные для выполнения операций переключения в промышленных условиях. Это название в действительности верно, так как ПЛК сегодня могут гораздо больше, чем просто выполнять логически операции. Однако эта аббревиатура сохранена, чтобы избежать путаницы с более общими терминами "программируемые контроллеры" и "персональные компьютеры" (оба по-английски "PC"). ПЛК генерирует выходные сигналы "включить/выключить" для управления исполнительными механизмами - электродвигателями, клапанами, лампочками и т.п., которые являются неотъемлемой частью систем автоматизации во всех отраслях промышленности.

Первый ПЛК был разработан в 1968 году группой инженеров компании General Motors. В соответствии с первоначальной спецификацией устройство должно быть несложным в программировании, модификация программы не должна требовать изменения аппаратной части, размеры должны быть меньше, чем у релейных и полупроводниковых аналогов, и, наконец, обслуживание и ремонт должны быть максимально просты. Эти требования следует рассматривать в свете того, что в конце 1960-х - начале 1970-х годов ещё не было малогабаритных программируемых устройств (микропроцессор был изобретён в 1971 году). ПЛК на основе микропроцессора был впервые создан в США в 1977 году компанией Allan-Bradley Corporation. Он содержал микропроцессор Intel 8080 и дополнительные схемы, позволяющие с высокой скоростью производить логические битовые операции.

Первые ПЛК были сконструированы только для простых последовательностей операций с двоичными сигналами. Сегодня на рынке существуют сотни различных моделей ПЛК, которые различаются не только размером памяти и числом каналов ввода/вывода (от нескольких десятков до нескольких сотен), но и выполняемыми функциями.

Программирование задач низового управления

ПЛК раньше программировались чаще с помощью внешних устройств - программаторов. Как правило, эти устройства не нужны для непосредственной работы ПЛК. Программаторы - это либо ручные специализированные устройства, либо обычные персональные компьютеры. Ручной программатор ПЛК выглядит как большой карманный калькулятор с простым дисплеем. Каждый логический элемент принципиальной схемы или программы вводится специальными клавишами или их комбинацией. Сегодня в качестве программатора используют второй вариант - это персональный компьютер с графическим дисплеем. Обычно дисплей показывает несколько горизонталей принципиальной схемы одновременно. Для облегчения отладки на экране показывают значения протекающих токов или логические сигналы.

В системах промышленной автоматики ПЛК должны работать в режиме реального времени, т.е. быстро реагировать на внешние события. Ввод и обработка сигналов осуществляется в ПЛК двумя способами - по опросу или по прерыванию.

Для программирования ПЛК применяются несколько подходов. Выбор этих подходов часто определяется стоимостью, спецификой объекта, требованиями по надёжности, квалификацией персонала и т.д. Наиболее распространенным в Беларуси является подход, соответствующий стандарту IEC 1131-3. Существует и другой подход - использование непосредственно языков высокого уровня С, С++, Pascal. Дешёвый вариант, который не требует покупки ПО, но временные затраты увеличиваются, надёжность снижается, требования к знаниям и квалификации программиста возрастают. Существуют и другие подходы: для непосредственного управления используют промышленные ПК или одноплатные компьютеры. Там уже может быть использован не только DOS, но и Windows (Windows NT, Windows CE и т.д.), Linux, QNX и т.д. На базе Linux существует специализированная версия реального времени Linux RT (Real Time). С точки зрения надёжности, реализации при управлении реального времени, критичности времени перезагрузки предпочтение часто отдается QNX.

Средний и верхний уровни

После того, как Windows "завоевала" практически весь мир, появилась возможность использовать компьютерные возможности не только для реализации управления непосредственно на нижнем уровне с помощью ПЛК и других средств.

Сначала эти уровни управления реализовывались на базе программирования на языках высокого уровня, но потом появились специализированные пакеты реализации. Верхний уровень - ERP (Enterprise Resource Planning), управление ресурсами предприятия. Следующий уровень - MES (manufacturing execution systems), система оперативного управления производством. И, наконец, система SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), что переводится как "диспетчерский контроль и сбор данных". В абстрактном смысле это, скорее, технология компоновки АСУ ТП, чем класс информационных систем.

Проектирование

На сегодняшний день при проектировании уже не используются кульман и карандаш. На территории Беларуси стандартом является использование для создания проектов AutoCAD. Иногда для этих целей из-за специфики знаний исполнителя или из-за пожелания заказчика используют и другие пакеты. Например, не предназначенный для этих целей MS Visio.

Существуют и пакеты автоматизации проектирования. Например, EPLAN Electric P8 позволяет автоматизировать генерацию вторичных чертежей и синхронизировать при модификации сотни чертежей, из которых обычно состоит проект объекта средней сложности.

К элементам проектирования можно отнести и элементы программирования, и SCADA, и т.д. Программный код тоже часто входит в проект по автоматизации.

Как стать инженером по автоматизации

Пойти учиться. Один из вариантов - кафедра автоматизации производственных процессов и электротехники Белорусского государственного технологического университета (bstu.unibel.by/facultet/htit/appie).

Для того, чтобы делать хорошие проекты, программировать ПЛК, SCADA, нужны серьёзные знания в области математики, физики, теории автоматического управления, математического моделирования, электроники, технических средств автоматизации, метрологии, программирования, баз данных, нормативной документации по проектированию и монтажу (особенно), знания технологического процесса и подходов к его автоматизации.

Специфика проектов по автоматизации в том, что каждый новый проект делается практически с нуля. Чтобы запрограммировать ПЛК, нужно знать не только основы программирования. На основании математической модели требуется выбрать структуру и настройки. Учесть возможности отказа оборудования. Знания метрологии и электроники понадобятся для работы с аналоговыми сигналами. Без знания технологии производства программу тоже не напишешь. Неплохо предусмотреть и возможности дальнейшего развития. При программировании ПЛК или ПК для задач низового регулирования потребуются знания устройства внешних модулей микропроцессора и т.д.

Несмотря на то, что в автоматизации всё меняется не так быстро, как, например, в вебе, но и здесь следует интересоваться новыми технологиями. Кроме этого, специфика высшего образования в РБ (да и в Европе в этой сфере существуют проблемы) при обучении не гарантирует современности знаний. Кафедра может заложить только фундамент. Всё остальное уже зависит от подхода студента к обучению. Сейчас актуальны задачи автоматизации нижнего и верхнего уровней, внедрение станков с программным управлением, роботов и т.д. Потребность в инженерах по автоматизации со знаниями, а не с дипломами, огромна как в сфере программирования, так и проектирования, монтажа, сопровождения. И она будет только увеличиваться.

Д. ГРИНЮК