Автоматизация технологических процессов книга. Компетенций в новой среде обучения виртуальной среде профессиональной деятельности
 Скачать 24.89 Mb.
|
|
237 технологического регламента (отклонений текущих значений технологических параметров от заданных, отказа оборудования. С появлением в операторной/диспетчерской компьютеров было естественным часть функций, связанных со сбором, регистрацией, обработкой и отображением информации, определением нештатных (аварийных) ситуаций, ведением документации, отчетов, переложить на компьютеры. Еще во времена первых управляющих вычислительных машин с монохромными алфавитно- цифровыми дисплеями на этих дисплеях усилиями энтузиастов- разработчиков уже создавались «псевдографические» изображения - прообраз современной графики. Уже тогда системы обеспечивали сбор, обработку, отображение информации, ввод команд и данных оператором, архивирование и протоколирование хода процесса. Появление УВМ, а затем и персональных компьютеров вовлекло в процесс создания операторского интерфейса программистов. Они хорошо владеют компьютером, языками программирования и способны писать сложные программы. Для этого программисту нужен лишь алгоритм (формализованная схема решения задачи. Но беда в том, что программист, как правило, не владеет технологией, не понимает технологического процесса. Поэтому для разработки алгоритмов надо было привлекать специалистов-технологов, например, инженеров по автоматизации. Выход из этой ситуации был найден в создании методов программирования без реального программирования, доступных для понимания не только программисту, но и инженеру- технологу. В результате появились программные пакеты для создания интерфейса «человек-машина» (Man/Humain Machine Interface, MMI/HMI). За рубежом это программное обеспечение получило название SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - супервизорное/диспетчерское управление и сбор данных, так как предназначалось оно для разработки и функциональной поддержки АРМов операторов/диспетчеров в АСУТП. Оказалось, что большинство задач, стоящих перед создателями программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП различных отраслей промышленности, достаточно легко поддается унификации, потому что функции оператора/диспетчера практически любого производства достаточно унифицированы и легко поддаются формализации. Таким образом, базовый набор функций систем предопределен ролью этого программного обеспечения в системах управления (HMI) и реализован практически во всех пакетах. Это 238 - сбор информации с устройств нижнего уровня (датчиков, контроллеров - прими передача команд оператора^диспетчера на контроллеры и исполнительные устройства ( д и сан ц ионное управление объектами - сетевое взаимодействие с информационной системой предприятия (с вышестоящими службами - отображение параметров технологи^ еского процесса и состояния оборудования с помощью мнемо СхеМ| таблиц, графиков и т.п. в удобной для восприятия форме - оповещение эксплуатационного персонала об аварийных ситуациях и событиях, связанных с контро.тт И ру емым технологическим процессом и функционированием г^рограммно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях. - хранение полученной информации в Архивах - представление текущих и накопленц Ь1Х (архивных) данных в виде графиков (тренды); - вторичная обработка информации - формирование сводок и других ответных документов по созданным на этапе проектирования шаблонам. 16.2. АРХИТЕКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ На начальном этапе развития (его д ы XX в) каждый производитель микропроцессорных систему правления разрабатывал свою собственную программу. Т^ К и е программы могли взаимодействовать только с узким кругом контроллеров, и по всем параметрам были закрытыми (отсутствие набора драйверов для работы с устройствами различных производителей и средств их создания, отсутствие стандартных механизмов взаимодействия с другими программными продуктами и т.д.) С появлением концепции открытых систем (начало х годов XX в) программные средства для операторских станций становятся самостоятельным продуктом. Одной из первых задач, поставленных перед разработчиками SCADA, стала задача организации много ц о ль зова тел ь с к их систем управления, то есть систем, способны поддерживать достаточно большое количество АРМ пользователей (клиентов. В результате появилась клиент-серверная технология или архитектура. Клиент-серверная архитектура характеризуется наличием двух взаимодействующих самостоятельных процессов - клиента и сервера, которые, в общем случае, могут выполняться на разных 239 Рис. Клиент-серверная архитектура компьютерах, обмениваясь данными посети. По такой схеме могут быть построены и системы управления технологическими процессами (рис. 16.2). Клиент-серверная архитектура предполагает, что вся информация о технологическом процессе от контроллеров собирается и обрабатывается на сервере ввода/вывода (сервер базы данных, к которому посети подключаются АРМ клиентов (компьютеры операторов, специалистов. Под станцией-сервером в этой архитектуре следует понимать компьютер со специальным программным обеспечением для сбора и хранения данных и последующей их передачи по каналам связи оперативному персоналу для контроля и управления технологическим процессом, а также всем заинтересованным специалистами руководителям. По определению сервер является поставщиком информации, а клиенте потребителем Таким образом, рабочие станции операторов/диспетчеров, специалистов, руководителей являются станциями-клиентами. Обычно клиентом служит настольный ПК, выполняющий программное обеспечение конечного пользователя. ПО клиента - это любая прикладная программа или пакет, способные направлять запросы посети серверу и обрабатывать получаемую в ответ информацию. Естественно, функции клиентских станций, а следовательно, и их программное обеспечение, различны и определяются функциями рабочего места, которое они обеспечивают. 240 Количество операторских станций, серверов ввода/вывода серверов БД) определяется на стадии проектирования и зависит, прежде всего, от объёма перерабатываемой в системе информации. Для небольших систем управления функции сервера ввода/вывода и станции оператора (HMI) могут быть совмещены на одном компьютере. В сетевых распределенных системах средствами SCADA/HMI стало возможным создавать станции (узлы) различного функционального назначения станции операторов/диспетчеров, серверы с функциями HMI, слепые серверы (без функций HMI), станции мониторинга (только просмотр без прав на управление) для специалистов и руководителей и другие. программы имеют в своем составе два взаимозависимых модуля Development (среда разработки проекта) и Runtime среда исполнения. В целях снижения стоимости проекта эти модули могут устанавливаться на разные компьютеры. Например, станции оператора, как правило, являются узлами Runtime или View) с полным набором функций человеко-машинного интерфейса. При этом хотя бы один компьютер в сети должен быть типа Development. На таких узлах проект разрабатывается, корректируется, а также может и исполняться. Программное обеспечение серверов позволяет создавать полный проект системы управления, включая базу данных и HMI. 16.3. SCADA КАК ОТКРЫТАЯ СИСТЕМА Распространение архитектуры «клиент-сервер» стало возможным благодаря развитию и широкому внедрению в практику концепции открытых систем. Главной причиной появления и развития концепции открытых систем явились проблемы взаимодействия программно-аппаратных средств в локальных компьютерных сетях. Решить эти проблемы можно было только путем международной стандартизации программных и аппаратных интерфейсов. Концепция открытых систем предполагает свободное взаимодействие программных средств SCADA с программно-техничес кими средствами разных производителей. Это актуально, так как для современных систем автоматизации характерна высокая степень интеграции большого количества компонент. В системе автоматизации кроме объекта управления задействован целый комплекс программно-аппаратных средств датчики и исполнительные устройства, контроллеры, серверы баз данных, рабочие станции операторов, АРМы специалистов и руководителей и т.д. рис. 16.3). При этом водной системе могут быть применены 241 Рис как открытая система программно-технические средства разных производителей. Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде система должна обеспечивать высокий уровень сетевого взаимодействия. Реализация этой задачи требует от системы наличия типовых протоколов обмена с наиболее популярными промышленными сетями, такими, как Profibus, ControlNet, Modbus и другими. С другой стороны, системы должны поддерживать интерфейс и со стандартными информационными сетями (Ethernet, Fast Ethernet) с использованием стандартных протоколов (TCP/IP) для обмена данными с компонентами распределенной системы управления. Практически любая система имеет в своем составе базу данных реального времени и подсистему архивирования данных. Но подсистема архивирования не предназначена для длительного хранения больших массивов информации (месяцы и годы. Информация в ней периодически обновляется, иначе для нее просто не хватит места. Рассматриваемый здесь класс программного обеспечения (системы) предназначен для обеспечения текущей и архивной информацией оперативного персонала, ответственного за непосредственное управление технологическим процессом. 242 Информация, отражающая хозяйственную деятельность предприятия (данные для составления материальных балансов установок, производств, предприятия в целом и т.п.), хранится в реляционных базах данных (РБД) типа Oracle, Sybase и т.д. В эти базы данных информация поставляется автоматизированным способом (посредством систем. Таким образом, выдвигается еще одно требование к программному обеспечению SCADA - наличие в их составе протоколов обмена с типовыми базами данных. Наиболее широко применимы два механизма обмена - ODBC (Open Data Base Connectivity - взаимодействие с открытыми базами данных) - международный стандарт, предполагающий обмен информацией с РБД посредством ODBC- драйверов. Как стандартный протокол компании Microsoft, ODBC поддерживается и наиболее распространенными приложениями Windows; - SQL (Structured Query Language) - язык структурированных запросов. Программное обеспечение SCADA должно взаимодействовать с контроллерами для обеспечения человеко-машинного интерфейса с системой управления. К контроллерам через модули ввода/вывода подключены датчики технологических параметров и исполнительные устройства. Информация сдатчика записывается в регистр контроллера. Для её передачи в базу данных сервера необходима специальная программа, называемая драйвером. Драйвер, установленный на сервере, обеспечивает обмен данными с контроллером по сетевому протоколу (Profibus, Modbus и др. После приема сервером сигнал попадает в базу данных, где производится его обработка и хранение. Для отображения значения сигнала на мониторе рабочей станции оператора информация с сервера должна быть передана посети клиентскому компьютеру, и только после этого оператор получит информацию, отображенную на экране изменением значения, цвета, размера, положения и т.п. соответствующего объекта операторского интерфейса. Большое количество контроллеров с разными программно- аппаратными платформами и постоянное увеличение их числа заставляло разработчиков включать в состав системы большое количество готовых драйверов (до нескольких сотен и инструментарий для разработки собственных драйверов к новым или нестандартным устройствам нижнего уровня. Для взаимодействия драйверов ввода/вывода и SCADA д недавнего времени использовались два механизма - DDE (Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными 2 4 3 - обмен по собственным (известным только фирме-разра ботчику) протоколам. Взамен DDE компания Microsoft предложила более эффективное и надежное средство передачи данных между процессами - OLE (см. далее. А вскоре на базе OLE появился новый стандарт ОРС, ориентированный на рынок промышленной автоматизации. ОРС - это аббревиатура от OLE for Process Control (OLE для управления процессами. Технология ОРС основана на разработанной компанией Microsoft технологии OLE (Object Linking and Embedding - встраивание и связывание объектов. ОРС представляет собой коммуникационный стандарт, поддерживающий взаимодействие между полевыми устройствами, контроллерами и приложениями разных производителей. ОРС-взаимодействие основано на клиент-серверной архитектуре ОРС-клиент (например SCADA), вызывая определенные функции объекта ОРС-сервера, подписывается на получение определенных данных с определенной частотой. В свою очередь, ОРС-сервер, опросив физическое устройство, вызывает известные функции клиента, уведомляя его о получении данных и передавая сами данные. Более популярно изложить идею технологии ОРС можно на примере стандартов на шины для персонального компьютера (ПК). К шине ПК можно подключать широкий класс устройств, производимых целым рядом компаний, и все они будут иметь возможность взаимодействовать друг с другом, поскольку используют одну и туже стандартную шину. Также и унифицированный интерфейс ОРС позволяет различным программным модулям, производимым самими различными компаниями, взаимодействовать друг с другом. ОРС-интерфейс допускает различные варианты обмена с физическими устройствами, с распределенными сетевыми системами управления и с любыми приложениями (рис. 16.4). На рынке имеются и инструментальные пакеты для написания ОРС- компонентов. ActiveX - это новые технология Microsoft. Стандарт ActiveX позволяет программным компонентам взаимодействовать друг с другом посети независимо от языка программирования, на котором они написаны. Технология ActiveX включает в себя клиентскую и серверную части. Серверная часть технологии ActiveX реализована с помощью Microsoft Internet Information Server (IIS). Клиентская технология ActiveX реализуется на машине- клиенте с помощью библиотек, поставляемых вместе с Microsoft 244 Рис. Обмен информацией по ОРС-протоколу Internet Explorer, являющимся полнофункциональным \Уев- браузером и контейнером для элементов. Сейчас практически все SCADA являются контейнерами для объектов. В режиме исполнения компоненты поддерживают динамический обмен данными с другими сетевыми программно-аппаратными компонентами по ОРС-интерфейсу. Итак, открытость программного обеспечения SCADA обеспечивается целым рядом факторов, а именно - наличием специальных драйверов для связи SCADA с наиболее популярными контроллерами разных фирм - наличием специальных инструментальных средств для создания новых драйверов - возможностью их работы в типовых операционных системах - наличием типовых программных интерфейсов (DDE, OLE, ОРС, ActiveX, ODBC, SQL и др, связывающих ПО SCADA с другими программно-аппаратными средствами системы управления, включая и СУБД. 16.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ДОСТУПА К ПРИЛОЖЕНИЯМ приложения, по определению, являются потребителями технологических данных, нос другой стороны, они должны быть и их источником. Информация со приложений потребляется многочисленными клиентами (прежде всего, специалистами и руководителями среднего звена. Для автоматизированного доступа к информации реального времени с любого рабочего места необходимо установить компьютер, подключенный к локальной сети. Организованное таким образом автоматизированное рабочее место (АРМ) предназначено для реализации вполне определенных функций. Поэтому программное обеспечение компьютера (системное и прикладное) должно обеспечить соответствующий данному АРМ набор пользовательских услуг. К их числу можно отнести - объём предоставляемой информации - форма представления информации - реализуемые функции (только информационные или с возможностью выдачи управляющих воздействий - протяженность и надежность канала связи «источник-по требитель»; - простота освоения пользователем и т.д. Но за услуги, как известно, надо платить. Поэтому весьма существенным критерием при организации клиентского узла 246 Рис. Клиенты в локальной вычислительной сети (АРМ) является его стоимость (аппаратное и программное обеспечение. В настоящее время существует несколько решений поставленной задачи, базирующихся на применении различных технологий. Но и стоимость предлагаемых решений тоже различна. Отсюда и появились такие понятия, как «бедные/богатые и тон кие/толстые клиенты. Самыми простыми и распространенными клиентскими приложениями в настоящее время являются клиенты в локальной сети (рис. 16.5). Такие клиентские приложения в системах традиционно объединяются с серверными приложениями протоколами локальных сетей. Часто таким протоколом является TCP/IP. Большинство современных пакетов работает на платформах Windows 2000/NT/XP. Отсюда следует, что для организации АРМ потребуется компьютер достаточно хорошей конфигурации и лицензионное программное обеспечение SCADA. Когда речь идет об организации большого количества автоматизированных рабочих мест на базе программного обеспечения SCADA, то такое решение может оказаться дорогостоящим (богатые клиенты. К тому же, большинство пользователей приложений, в отличие от операторов/диспетчеров, относится к категории нерегулярных, те. подключается к системе периодически по мере необходимости. 247 Реализация пакетами функций резервирования позволяет устранять отказы в системе без потери её функциональных возможностей и производительности. Программное обеспечение SCADA поддерживает реализацию резервирование различных компонентов системы управления как вследствие особенности архитектуры, таки наличия встроенных механизмов. 248 Рис. 16.6. Распределённая система управления 16.5. НАДЁЖНОСТЬ СИСТЕМ Понятие надёжности пакетов включает в себя два аспекта надёжность самого программного продукта SCADA и возможность программного резервирования компонентов системы i различных вариантах. Надёжность пакета определяется несколькими характеристиками надёжностью операционной системы, наличиел средств сохранения данных и конфигурации при сбоях, наличи&ч средств автоматического перезапуска системы. Система управления может полностью выйти из строя HI только по причине отказа программного обеспечения, но и оборудования. Получившая наиболее широкое распространение распределён ная система управления, представленная на рис. 16.6, выйдет и строя, если всего лишь водном компоненте (сервере) возникне - неисправность. |