Обмен данными в SCADA-системе TRACE MODE

ОСОБЕННОСТИ проектирования асутп в SCADA-системе TRACE MODE

 

Архитектура TRACE MODE

SCADA-система TRACE MODE содержит средства разработки операторского интерфейса (SCADA/HMI), программирования контроллеров (Softlogic), управления основными фондами (EAM), персоналом (HRM) и производственными процессами (MES).

Все программы, входящие в TRACE MODE, подразделяются на две группы (рис. 1.1): инструментальную систему разработки и исполнительные модули. Как видно из рисунка, инструментальная система разработки содержит три редактора: редактор базы каналов, редактор представления данных, редактор шаблонов.

В редакторе базы каналов создается математическая основа системы управления: описываются конфигурации всех рабочих станций, контроллеров и УСО, а также настраиваются информа­ционные потоки между ними. Здесь же описываются входные и выходные сигналы и их связь сустройствами сбора данных и управления; задаются периоды опроса или формирования сигна­лов, настраиваются законы первичной обработки и управления, технологические границы, программы обработки данных и управления, осуществляется архивирование технологических па­раметров, сетевой обмен.

Рис. 1.1

 

Результатами работы в этом редакторе являются математиче­ская и информационная структуры проекта АСУТП, которые включают в себя набор баз каналов и файлов конфигурации для всех контроллеров и операторских станций (узлов) проекта, а так­же файл конфигурации всего проекта c расширением prj. Все остальные файлы проекта хранятся в рабочей директории в каталоге, имя которого совпадает с именем файла конфигурации.

В редакторе представления данных разрабатывается графи­ческая часть проекта системы управления. Сначала создается ста­тичный рисунок технологического объекта, а затем поверх него размещаются динамические формы отображения и управления. Среди этих форм присутствуют такие, как поля вывода числовых значений, графики, гистограммы, кнопки, области ввода значений и перехода к другим графическим фрагментам и т. д.

Кроме стандартных форм отображения, TRACE MODE позволяет вставлять в проекты графические формы представления данных или управления, разработанные пользователями.

Все формы отображения информации, управления и анимаци­онные эффекты связываются с информационной структурой, раз­работанной в редакторе базы каналов.

Для разработки шаблонов документов в состав инструменталь­ной системы включен редактор шаблонов.

Исполнительная система TRACE MODE включает в себя исполнительные модули (мониторы, МРВ) – программные модули различного назначения, под управлением которых в реальном времени выполняются составные части проекта, размещаемые на отдельных компьютерах или в контроллерах, предназначенные для работы на всех уровнях систем управления, о которых говорилось выше.

Существует ряд программных модулей, назначение которых четко не привязано к функциям одного из перечисленных уровней систем управления. К таким модулям относятся (рис. 1.1):

- глобальный регистратор;

- сервер документирования;

- Web-активатор;

- GSM-активатор.

Они могут использоваться для создания как оперативного, так и административного уровней систем управления.

Глобальный регистратор служит для обеспечения надежного хранения архивов ТП. Он архивирует данные, посылаемые ему по сети мониторами реального времени (64 000 параметров с дискретно­стью 0,001 с), обеспечивает автоматическое восстановление дан­ных после сбоя, а также может передавать архивные данные для просмотра мониторам SUPERVISOR.

Для документирования технологической информации в TRACE MODE предусмотрен специальный модуль - сервер документиро­вания. Документирование осуществляется по шаблонам, которые соз­даются в редакторе шаблонов. Время или условие генерирования документа, имя файла шаблона, а также направление вывода доку­мента описываются в программах документирования - сценариях.

Подготовка отчетов (документов) чаще всего привязывается к астрономическому времени. Например, они могут генерироваться один раз в час, один раз в сутки, один раз в месяц или один раз в десять минут. Кроме того, можно установить режим подготовки документа один раз в смену и затем описать разбивку суток на смены.

Сервер документирования NetLink Light используется для ре­шения задачи документирования технологической информации. Он по команде МРВ, собственному сценарию или по команде опе­ратора интерпретирует созданные заранее шаблоны, запрашивает у МРВ необходимые данные и формирует по ним документы. Эти документы могут быть распечатаны на принтере, отправлены по E-mail или опубликованы на Web-сервере.

Утилита консоль тревог позволяет просматривать отчет тре­вог разных МРВ одного проекта.

Любая рабочая станция системы TRACE MODE может выступать в каче­стве Web-сервера, что позволяет управлять технологическим процессом через Интернет (Internet) [1]. На удаленном компьютере необходимо иметь только доступ к сети Интернет и Web-браузер. Для реализации данного режима предназначен модуль Web-активатор, который используется в качестве www-шлюза для ло­кальных систем АСУ ТП на базе TRACE MODE или для придания функций Web-сервера мониторам реального времени. Использование Web-активатора позволяет быстро превратить существующие АСУТП и АСУП в Internet/Intranet-системы без переделки баз данных реального времени (баз каналов).

Доступ к данным реального времени через Web-активатор осуществляется при помощи обыкновенного браузера, работающе­го под любой операционной системой, позволяющей запуск вирту­альной Java-машины. Информация о технологическом процессе представляется пользователю в виде анимированных мнемосхем, трендов и таблиц.

Связь с серверами реального времени TRACE MODE может осу­ществляться практически любыми доступными средствами, на­пример через сотовую сеть стандарта GSM, инфракрасный порт, сеть на основе интерфейса RS-232/485 или модем с использовани­ем высоконадежного протокола TCP/IP. Можно осуществлять подключение и непосредственно через Internet. Для этого доста­точно войти в Internet и набрать IP-адрес сервера TRACE MODE – подключение произойдет автоматически.

Для доступа к данным пользователю достаточно набрать Web-адрес активатора и ввести пароль, тогда весь проект загружается в удаленный компьютер в виде Java-аппрета. Использование стан­дартного языка Java при написании аппретов позволяет реализо­вать на удаленных компьютерах не только Windows, но и другие операционные системы, например Unix, Linux, Mac OS и т. д., а также ОС, использующиеся в карманных PC. Проект TRACE MODE поступает к пользователю в виде Java-аппрета, объем которого не превышает 300 Кбайт, что дает возможность использовать Web-активатор в сетях с низким качеством связи. Достоинством техно­логии Java является также повышенная безопасность.

Для обеспечения мобильных пользователей АСУ оперативной информацией в режиме реального времени на базе TRACE MODE разработан программный продукт - GSM-активатор. Он предна­значен для дистанционного мониторинга и управления технологи­ческими процессами, а также для получения оперативной технико-экономической информации при помощи сверхпортативных ком­пьютеров handheld PC.

В реальном времени GSM-активатор может принимать инфор­мацию от 64 000 датчиков, осуществлять супервизорное управле­ние, получать технико-экономическую информацию из баз данных через сервер, использующий стандартные интерфейсы SQL/ODBC. ОРС, DDE и т. д. Вся входящая информация отображается гра­фически в виде анимированных мнемосхем и трендов.

GSM-активатор, относящийся к новому классу систем оперативно­го управления, отражающих мировую тенденцию к миниатюриза­ции и автономизации компьютерных систем,мо­жет быть использован в качестве персональной информационной системы руководителя.

GSM-активатор пригоден также к применению в охранных службах: получение в реальном времени информации о состоянии охраняемого объекта может стать основой успеха операции груп­пы быстрого реагирования, вызванной по тревоге.

Нужно отметить, что в последней версии TRACE MODE 6 все редакторы системы вызываются из одной программы - Интегрированной среды разработки (ИС). ИС – единая программная оболочка, содержащая все необходимые средства для разработки проекта.

 

Основные понятия SCADA-систем TRACE MODE

 

1.2.1. Определения. ПРОЕКТ системы управления – это совокупность всех математических и графических элементов системы, функционирующих на различных операторских станциях и контроллерах одной АСУ ТП, объединенных информационными связями и единой системой архивирования. Проект может быть масштабным (сотни узлов), а может включать в себя только один контроллер или одну операторскую станцию. Под проектом в TRACE MODE 6 понимается вся совокупность данных и алгоритмов функционирования распределенной АСУ (АСУТП и/или T-FACTORY), заданных средствами TRACE MODE.

Итогом разработки проекта является создание файлов, содержащих необходимую информацию об алгоритмах работы АСУ. Эти файлы затем размещаются на аппаратных средствах (компьютерах и контроллерах) и выполняются под управлением исполнительных модулей TRACE MODE.

Составная часть проекта, размещаемая на отдельном компьютере или в контроллере и выполняемая под управлением одного или нескольких исполнительных модулей TRACE MODE, называется узлом проекта.

УЗЕЛ – любое устройство в рамках проекта, в котором запущено программное обеспечение TRACE MODE, реализующее серверные функции. Это может быть контроллер, операторская станция или архивная станция.

БАЗА КАНАЛОВ – совокупность всех каналов, математических объектов, FBD-программ и IL-программ, созданных для каждого конкретного узла.

ОБЪЕКТ БАЗЫКАНАЛОВ – совокупность любых каналов, которой приписан определенный набор свойств и атрибутов. Среди последних можно назвать имя, графический идентификатор, флаг подчинения: родитель, потомок. Оформленные группы каналов могут быть подчинены друг другу и создавать таким образом иерархические структуры.

Драйверы обмена – драйверы, используемые мониторами TRACE MODE для взаимодействия с устройствами, протоколы обмена с которыми не встроены в мониторы.

1.2.2. Каналы. КАНАЛ (базовое понятие системы) – это структура, состоящая из набора переменных и процедур, имеющая настройки на внешние данные, идентификаторы и период пересчета ее переменных. Идентификаторами канала являются: имя, комментарий и кодировка. Например, имя канала, связанного с пятым каналом платы аналогового ввода, расположенной в первом посадочном месте контроллера, будет AI_-pе01-0005. Кроме того, каждый канал имеет числовой идентификатор, используемый внутри системы для ссылок на этот канал. Среди переменных канала выделяются четыре основных значения: входное (In), аппаратное (A), реальное (R)и выходное (Q). С помощью настроек входное значение канала связывается с источником данных, а выходное – с приемником.

В зависимости от направления движения информации, т.е. от внешних источников (данные с контроллеров, УСО или системные переменные) в канал или наоборот, каналы подразделяются на входные (тип INPUT) (рис. 1.2) и выходные (тип OUTPUT) (рис. 1.3).

Рис. 1.2

 

Входной канал (рис. 1.2) запрашивает данные у внешнего источника (контроллер, другой МРВ и пр.) или значение системных переменных (счетчик ошибок, длина архива и пр.). Полученное значение поступает на вход канала и далее пересчитывается в аппаратное и реальное значения. Аппаратное значение у каналов типа INPUT формируется масштабированием (логической обработкой для дискретных каналов) входных значений. Используемые процедуры обеспечивают первичную обработку данных (исправление ошибок датчиков, масштабирование, коррекция температуры холодных спаев термопар и т. д.). Выходные значения в в каналах типа INPUT не используются.

Выходной канал (рис.1.3) передает данные приемнику. Приемник может быть внешним (значение переменной в контроллере,

Рис. 1.3

в другом МРВ и пр.) или внутренним - одна из системных переменных (номер проигрываемого звукового файла, номер экрана, выводимого на монитор, и пр.). И внешние и внутренние приемники данных связываются с выходными значениями каналов. У каналов типа OUTPUT их входное значение формируется одним из следующих способов: процедурой управление данного канала; процедурами управление или трансляция других каналов; метапрограммой на языке Техно IL; Каналом удаленного узла (например, по сети); оператором с помощью управляющих графических форм. У каналов типа OUTPUT аппаратное значение получается из реального процедурой трансляция. Аппаратные значения каналов имеют такое название, поскольку в них удобно получать величины унифицированных сигналов, с которыми работает аппаратура ввода/вывода (4-20 мА, 0-10 В и пр.). Реальные значения предназначены для хранения значений контролируемых параметров или сигналов управления в реальных единицах (например, кг/час, ^оС, % и пр.). Выходное значение определено только для каналов типа OUTPUT. Оно пересчитывается из аппаратного значения.

Данные из внешних устройств записываются в каналы, данные из каналов посылаются на внешние устройства. В каналы оператор заносит управляющие сигналы. Значения из каналов записываются в архивы, операторские отчеты и т.п. В каналах осуществляется преобразование данных. Меняя значения на системных каналах, можно управлять выводимой на экран информацией, звуковыми сигналами и т.д., т.е. всей системой.

1.2.3. Процедуры. Входное значение канала преобразуется в аппаратное, реальное и выходное с помощью процедур.

Процедурами канала являются:

ž масштабирование (умножение и смещение),

ž фильтрация (подавление пиков, апертура и сглаживание),

ž логическая обработка (предустановка, инверсия, контроль сочетаемости),

ž трансляция (вызов внешней программы),

ž управление (вызов внешней программы).

Порядок следования и содержание процедур может меняться в зависимости от типа канала (входной или выходной, аналоговый или дискретный).

Процедура масштабирование используется только в каналах, работающих с аналоговыми переменными. Она включает в себя две операции: умножение и смещение. Последовательность этих операций меняется в зависимости от типа канала:

- у каналов типа INPUT входное значение умножается на заданный множитель и к полученному результату добавляется величина смещения. Результат присваивается аппаратному значению канала.

- у каналов типа OUTPUT к аппаратному значению добавляется величина смещения, затем эта сумма умножается на заданный множитель, а результат присваивается выходному значению канала.

Процедура трансляция определена для всех каналов независимо от их типа и вида представления. У входных каналов процедура трансляции преобразует аппаратное значение в реальное, а для выходных – наоборот. Для этого вызывается FBD-программа. Вызываемая программа выбирается при настройке процедуры. При настройке процедуры входные и выходные аргументы выбранной программы связываются с атрибутами текущего канала, а также любых других каналов из текущей базы. Поэтому процедура трансляции одного канала может также использоваться для формирования значений других каналов.

Пример использования процедуры трансляция [1]. Необходимо измерять расход вещества, транспортируемого по трубопроводу, и интегрировать его по времени для расчета технико-экономических показателей производства. На трубопроводе установлен датчик скорости потока.

Решение. Для решения этой задачи потребуется один канал типа INPUT. Его аппаратное значение необходимо связать с данными, поступающими от датчика скорости потока (адресация каналов будет описана в следующем разделе), настроить коэффициенты масштабирования и дрейфа нуля исходя из геометрических характеристик трубопровода и физических свойств потока для перевода измеренной скорости в величину расхода. Далее следует создать FBD-программу, в которой будет выполняться интегрирование входной величины и результат записываться в выходную переменную. Затем эту программу надо установить для процедуры трансляции данного канала (написание программ для процедур канала будет рассмотрено ниже). При такой конфигурации во входном значении канала будет находиться информация о скорости потока, в аппаратном - величина расхода вещества, а в реальном - количество прошедшего по трубе вещества.

Набор процедур в канале зависит от формата данных. Каналы, работающие с аналоговыми переменными, используют следующие процедуры масштабирование, трансляцию, фильтрацию и управление. В каналах, обрабатывающих дискретные параметры, используются логическая обработка, трансляция и управление.

Фильтрация – процедура, которая присутствует только у аналоговых каналов. Набор выполняемых ею операций отличается для входных и выходных каналов. У каналов типа INPUT фильтрация выполняется после процедуры трансляции до формирования реального значения. Фильтрация включает в себя следующие операции: подавление случайных всплесков в тракте измерения; подавление малых колебаний значения канала; экспоненциальное сглаживание; контроль шкалы – отслеживание выхода реального значения канала за установленные границы шкалы. У каналов типа OUTPUT данная процедура формирует реальное значение по входному значению. При этом выполняются следующие операции: ограничение скорости изменения реального значения; подавление малых колебаний значения канала; экспоненциальное сглаживание; контроль шкалы – обрезание величины управляющего воздействия до границ шкалы канала.

Управление – процедура, которая определена для всех каналов. Она реализует функцию управления. С ее помощью можно вызвать FBD -программу, в которой можно запрограммировать требуемые алгоритмы управления. В качестве аргументов программе могут передаваться значения и атрибуты любых каналов из текущей базы. Эти аргументы могут быть как входными, так и формируемыми. Формально процедура управления связана с каналом только циклом пересчета. Она может вообще никак не участвовать в формировании его значений, а управлять другими каналами. Такая ситуация часто наблюдается при использовании процедуры «Управление»на каналах типа INPUT.

Кроме основных значений, канал имеет дополнительные переменные: шесть границ, гистерезис, настройки процедур обработки, начальные параметры, флаги архивирования и др. (рис. 1.4) Переменные, настройки и идентификаторы канала образуют список его атрибутов.

Рис. 1.4

Часть из них задается в редакторе базы каналов и не может быть изменена в реальном времени. Другие могут иметь начальные значения и доступны для изменения.

1.2.4. Подтип канала. Подтип канала указывает класс источников или приемников данных, с которыми будет связываться канал. Для каналов типа INPUT подтип характеризует получаемую ими информацию (АНАЛОГ – значение АЦП, считанное с платы УСО, СИСТЕМНЫЙ – состояние системы, СВЯЗЬ – данные с удаленных узлов проекта и пр.). Каналы OUTPUT имеют тот же набор подтипов, что и каналы INPUT. Однако для них подтип определяет класс приемников, а не источников данных (АНАЛОГ – значение ЦАП, СИСТЕМНЫЙ – состояние системы, СВЯЗЬ – значения управляемых каналов на удаленных узлах проекта и пр.). Всего существует шестнадцать подтипов каналов. Все они могут задаваться как для входных, так и для выходных каналов. Подтип канала задает класс источников или приемников данных. Кроме того, подтип канала определяет также количество его дополнительных настроек. Уточнение источника или приемника в рамках заданного подтипом класса осуществляется с помощью дополнения к подтипу.

Последний уровень адресации источника или приемника данных осуществляется с помощью настроек канала.

 

1.2.5. Атрибуты каналов. Границы шкалы указывают возможный диапазон изменения контролируемого параметра. Например, если датчик позволяет измерять давление в диапазоне от 0 до 10 кгс/см², то его показания, лежащие вне данного диапазона, являются заведомо недостоверными. Если задать для канала границы шкалы, то при выходе за них его реального значения может автоматически формироваться признак недостоверности данных. Эта информация может быть доведена до оператора и зафиксирована в архивах.

Пример [1]

· Обработка аварийной ситуации.

· Использование аварийных границ и интервала.

Рассмотрим решение следующей задачи: при понижении давления в котле ниже предаварийной границы (НГ_0) надо записать в отчет тревог сообщение "КОТЕЛ_1 предаварийное состояние" и проиграть предупреждающий звуковой файл.

Для решения этой задачи потребуются два канала. Настроим один из них на прием данных (INPUT) от датчика давления и зададим ему имя ДАВЛЕНИЕ. Для этого канала в диалоге Реквизиты установим флаг сохранения в отчете тревог и, исходя из технологических требований, зададим значение границы НГ_0 и в бланке Сообщения в отчет тревог введем требуемое сообщение для записи в отчет тревог.

Второй канал должен иметь тип OUTPUT, подтип СИСТЕМНЫЙ и дополнение к подтипу звуковой файл. Имя этому каналу дадим ЗВУК. Далее создадим программу, содержащую два аргумента. Эта программа должна при отличии первого аргумента от 0 формировать значение второго аргумента, равным 1 (номер звукового файла, содержащего вой сирены), а в противном случае - 0. Установим ссылку на эту программу из процедуры УПРАВЛЕНИЕ канала ЗВУК. В качестве первого аргумента будем использовать значение интервала канала ДАВЛЕНИЕ, а в качестве второго - реальное значение канала ЗВУК.

Теперь при переходе реального значения канала, измеряющего давление, через границу НГ0 аппаратное значение канала, управляющего звуковой платой, будет равно 1. Файл с записанным звуковым предупреждением должен находиться в директории проекта и иметь имя 1.wav.

 

Обмен данными в SCADA-системе TRACE MODE

Если речь идет о связи между компонентами одного узла, то вопрос об аппаратно-программном интерфейсе, который должен быть задействован для обеспечения связи, не возникает. В этом случае достаточно выполнить конфигурирование свойств связь / вызов компонентов. Если взаимодействующие компоненты относятся к разным узлам, интерфейс связи, как правило, должен быть указан и сконфигурирован.

Мониторы реального времени ТРЕЙС МОУД могут обмениваться данными по следующим линиям: локальная сеть; последовательный интерфейс RS-232, RS-485, RS-422; радиоканал; выделенная телефонная линия; коммутируемые телефонные линии; сети GSM. По этим носителям необходимо организовать информационные потоки всех уровней системы управления. При этом могут реализоваться как вертикальные связи (между уровнями), так и горизонтальные (между узлами одного уровня). Например, при задании связи двух каналов разных узлов по RS необходимо создать в узлах компоненты COM-порт, задать для них необходимые параметры и указать для канала-приемника используемый интерфейс связи.