Учебно-методическое пособие SCADA-системы. Учебнометодическое пособие по учебным дисциплинам субд реального времени
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
Вопросы и задания 1. Что такое SCADA-система? В чем заключаются ее основные отличия от другого базового программного обеспечения САУ? 2. Перечислите функции SCADA-системы. 3. Назовите основные задачи, возлагаемые на диспетчера (оператора) в современных САУ. 4. В чем заключаются принципы модульного построения SCADA-систем? 5. Кратко охарактеризуйте традиционные технологии SCADA- систем: DDE, DLL, OLE, ODBC/SQL. 6. В чем заключается необходимость применения в SCADA-си- стемах новейших информационных технологий: COM/DCOM, ActiveX, ОРС? 7. Каковы области применения языков программирования, ис- пользуемых в современных САУ: Java, VBA, C++, языки стандарта IEC 61131-3? 8. Назовите основные технические характеристики SCADA- систем. 9. Назовите основные стоимостные характеристики SCADA- систем. 10. Назовите основные эксплуатационные характеристики SCADA-систем. 11. Какое место занимает SCADA-система в модели укрупнен- ной функциональной структуре САУ промышленным комплексом? 26 12. Перечислите задачи и типовых представителей уровня ввода- вывода информации (Input/Output Level) модели функциональной структуры САУ промышленным комплексом. 13. Перечислите задачи и типовых представителей уровня сбора данных и технологического управления (Control Level) модели функ- циональной структуры САУ промышленным комплексом. 14. Перечислите задачи и типовых представителей уровня диспетчерского управления (SCADA Level) модели функциональной структуры САУ промышленным комплексом. 15. Перечислите задачи и типовых представителей уровня управ- ления производственными процессами (MES Level) модели функцио- нальной структуры САУ промышленным комплексом. 16. Перечислите задачи и типовых представителей уровня плани- рования ресурсов предприятия, планирования потребностей в мате- риалах (ERP, MRP) модели функциональной структуры САУ про- мышленным комплексом. 17. Сформулируйте основные достоинства и недостатки модели функциональной структуры САУ промышленным комплексом. 18. В каких случаях используется централизованная архитектура SCADA-системы, а в каких распределенная? Определите достоинства и недостатки каждой из архитектур. 19. Назовите основные приложения SCADA-системы InTouch и перечислите задачи, решаемые в каждом из них. 20. Какие приложения SCADA-системы InTouch использует в своей работе разработчик, а какие диспетчер (оператор)? 21. Сформулируйте основные достоинства и недостатки SCADA- системы InTouch. 22. Опишите идеальную, с вашей точки зрения, SCADA-систему. 27 2 МНЕМОСХЕМА ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 2.1 Понятие «мнемосхема» промышленного комплекса. Требования, предъявляемые к мнемосхемам Взаимодействие диспетчера (оператора) с САУпромышленным комплексом осуществляется с помощью человеко-машинного интер- фейса (HMI) диспетчерской (операторской) станции. Чаще всего HMI реализуется с помощью мнемосхем технологического процесса, раз- работанных в SCADA-системе. Мнемосхема (англ. mnemoschema) промышленного комплекса – графическая информационная модель, условно отображающая техно- логическую, функционально-техническую схему управляемого объ- екта и информацию о его состоянии в объеме, необходимом для вы- полнения оператором возложенных на него функций [8]. Мнемосхемы реализуются с помощью разных типов средств отображения информации (мониторы компьютеров, дисплеи HMI- терминалов, стрелочные и цифровые индикаторы, проекционная тех- ника и т. д.) и их комплексов. Мнемосхемы широко используются в диспетчерских пунктах управления энергетическими объектами и си- стемами, пунктах управления технологическими процессами в раз- личных отраслях промышленности. Примеры мнемосхем промыш- ленных комплексов приведены в приложении А. Проектирование и создание мнемосхем регламентируется сле- дующими стандартами [9-17]: ГОСТ 21480-76. Система «Человек-машина». Мнемосхемы. Общие эргономические требования; ГОСТ 21829-76. Система «Человек-машина». Кодирование зрительной информации. Общие эргономические требования; ГОСТ Р 50822-95. Система «ТВ-информ». Основные пара- метры; ГОСТ 22614-77. Система «Человек-машина». Выключатели и переключатели клавишные и кнопочные. Общие эргономические требования ГОСТ 22613-77. Система «Человек-машина». Выключатели и переключатели поворотные. Общие эргономические требования ГОСТ 22615-77. Система «Человек-машина». Выключатели и переключатели типа «Тумблер». Общие эргономические требования ГОСТ 23000-78. Система «Человек-машина». Пульты управле- 28 ния. Общие эргономические требования ГОСТ 22902-78. Система «Человек-машина». Отсчетные устройства индикаторов визуальных. Общие эргономические требо- вания ГОСТ 21752-76. Система «Человек-машина». Маховики управления и штурвалы. Общие эргономические требования. Основные требования, предъявляемые к мнемосхемам промыш- ленных комплексов в соответствии с вышеперечисленными стандар- тами, можно сформулировать следующим образом. 1) Мнемосхема должна содержать только те элементы, которые необходимы диспетчеру (оператору) для контроля и управления про- мышленным комплексом. 2) Отдельные элементы или группы элементов, наиболее суще- ственные для контроля и управления объектом, на мнемосхеме должны выделяться размерами, формой, цветом или другими спосо- бами. 3) При компоновке мнемосхемы должно быть обеспечено про- странственное соответствие между расположением элементов на мнемосхеме и расположением органов управления на пульте управ- ления. При этом должны учитываться привычные ассоциации дис- петчера (оператора). 4) Соединительные линии на мнемосхеме должны быть сплош- ными, простой конфигурации, минимальной длины и иметь наименьшее число пересечений. Следует избегать большого числа параллельных линий, расположенных рядом. Форма и размеры панелей мнемосхемы должны обеспечивать диспетчеру (оператору) однозначное зрительное восприятие всех не- обходимых ему информационных элементов. Процесс разработки мнемосхем промышленного комплекса с использованием SCADA-системы укрупненно можно разделить на несколько этапов [18]: 1) анализ исходных данных по промышленному комплексу и выбор объектов необходимых для создания мнемосхемы; 2) создание статических элементов мнемосхемы промышлен- ного комплекса; 3) создание БД параметров технологического процесса; 4) написание скриптов обработки событий; 5) наложение элементов анимации на статические элементы мнемосхемы; 29 6) отладка и размещение мнемосхемы. Рассмотрим каждый из этапов более подробно. 2.2 Основные этапы создания мнемосхемы промышленного комплекса 2.2.1 Анализ исходных данных Анализ исходных данных по промышленному комплексу вклю- чает в себя изучение: схемы цепи агрегатов; схемы автоматизации технологического процесса; технологического регламента промышленного комплекса; режимов работы промышленного комплекса. Эти документы разрабатывают специалисты проектных инсти- тутов – технологи производственного процесса совместно с инжене- рами в области контрольно-измерительных приборов и автоматиза- ции. Схема цепи агрегатов – это обобщенное графическое изображе- ние технологического процесса с представлением только основного технологического оборудования и материальных потоков. Схема цепи агрегатов не перегружается чрезмерными подробностями (типы арматуры, трубопроводы, материальный баланс, количество матери- альных потоков), но учитывает специфику данного производства. Примеры схем цепи агрегатов приведены в приложении Б. Схема автоматизации технологического процесса – это чертеж, на котором схематически условными изображениями показывают: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации с указанием связей между технологическим оборудованием и средствами автоматизации, а также связей между отдельными функциональными блоками и элементами автоматики. Схемы автоматизации технологического процесса могут разра- батываться с большей или меньшей степенью детализации. Однако объем информации, представленный на схеме, должен обеспечить полное представление о принятых основных решениях по автомати- зации данного технологического процесса и возможность составле- ния на стадии проекта заявочных ведомостей приборов и средств ав- томатизации, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, а на стадии рабочего проекта – 30 всего комплекса проектных материалов, предусмотренных в составе проекта. Схему автоматизации технологического процесса выполняют в соответствии с ГОСТ 21.404-85 [19], ГОСТ 21.408-93 [20] и другими нормативными документами, как правило, на одном листе, на кото- ром изображают средства автоматизации и аппаратуру всех систем контроля, регулирования, управления и сигнализации, относящуюся к данной технологической установке. Вспомогательные устройства, та- кие как редукторы и фильтры для воздуха, источники питания, реле, автоматы, выключатели и предохранители в цепях питания, соедини- тельные коробки и другие устройства и монтажные элементы, на схемах автоматизации не показывают. Сложные технологические схемы рекомендуется расчленять на отдельные технологические узлы и выполнять схемы автоматизации этих узлов в виде отдельных чертежей на нескольких листах или на одном. Для технологических процессов с большим объемом автомати- зации схемы могут быть выполнены раздельно по видам технологи- ческого контроля и управления. Например, отдельно выполняются схемы автоматического управления, контроля и сигнализации и т.п. Пример схемы автоматизации технологического процесса при- веден на рисунке В.1 приложения В. Технологический регламент промышленного комплекса – доку- мент, который перечисляет и описывает по порядку этапы (шаги) по пуску/останову промышленного комплекса, которые должен выпол- нить диспетчер для эффективной и безопасной его работы, как пра- вило, с указанием требуемых временных интервалов выполнения эта- пов (шагов), а также технологические и аварийные блокировки агре- гатов и механизмов. Режимы работы промышленного комплекса определяют спо- собы реализации информационных и управляющих функций взаимо- связанными агрегатами технологической схемы. Современные САУ работают как минимум в трех режимах [21, с.403]: «Автомат», «Дистанция», «Местный». 1. «Автомат» – автоматический режим – основной режим. В этом режиме САУ автоматически выполняет плановый пуск/останов агрегатов промышленного комплекса по команде диспетчера (опера- тора). В этом режиме соблюдаются требования технологического ре- гламента по взаимной блокировке агрегатов с учетом их взаимосвя- 31 зей и динамики выхода агрегатов на рабочий режим (при пуске) и «сгона» нагрузки (при останове). Плановый останов выполняется пу- тем последовательного снятия нагрузки и отключения агрегатов, обеспечивая полную разгрузку технологической схемы. Команды на плановый пуск и плановый останов вводятся в си- стему: через SCADA-систему диспетчерской станции или через HMI- терминал оператора. Как правило, кнопки «Плановый пуск», «Плано- вый останов» располагаются на главном видеокадре; с помощью кнопочного пульта управления, расположенного непосредственно на рабочем месте диспетчера (оператора) (рисунок 8). Рисунок 8 – Рабочее место диспетчера (оператора): устройство громкой связи, телефон – слева, монитор диспетчерской (операторской) станции – по центру, мониторы станции видеоконтроля – справа, кнопочные пульты управления – снизу 2. «Дистанция» – дистанционный режим – вспомогательный ре- жим. В этом режиме системой исполняются команды диспетчера (оператора) на пуск/останов каждого из взаимосвязанных агрегатов технологической схемы. В режиме «Дистанция», как и в режиме «Ав- томат», обеспечивается соблюдение требований технологического ре- гламента. Команды, не соответствующие требованиям и ограниче- ниям технологического регламента, не исполняются. Команды на пуск агрегата и останов агрегата вводятся в систему 32 через SCADA-системe диспетчерской станции или через HMI-терми- нал оператора. Как правило, кнопки «Пуск агрегата поз. …», «Стоп агрегата поз. …» располагаются на всплывающих диагностических окнах каждого из агрегатов промышленного комплекса. 3. «Местный» – наладочный, ремонтный режим. Все информа- ционные функции выполняются автоматически. Все управляющие функции – пуск/останов каждого из агрегатов технологической схемы – выполняются производственным персоналом. В режиме «Местный» соблюдение требований регламента не требуется, технологические блокировки отсутствуют. Включение и выключение электроприводов производится по сигналам управления, поступающим с кнопочных станций местных постов управления каждого агрегата (рисунок 9). Посты местного управления, как правило, расположены приобъектно, рядом с соот- ветствующим технологическим агрегатом. Рисунок 9 – Местный пост управления технологическим агрегатом 2.2.2 Создание статических элементов мнемосхемы Статическое изображение мнемосхемы отражает в визуально простой и интуитивно понятной форме выбранные объекты промыш- ленного комплекса – оборудование, элементы оборудования, агре- гаты, датчики, возможно, обрабатываемые материалы и продукцию, и их взаимодействие, порядок обработки. Современные программно-технические средства автоматизации, в том числе мониторы диспетчерских (операторских) станций, HMI- терминалы обладают богатыми графическими возможностями, широ- 33 кое использование которых может войти в противоречие с требова- ниями эргономики. Для создания статического изображения мнемо- схемы не желательно использовать все возможности богатой цвето- вой палитры. Представление информации должно ограничиваться простыми и однозначно воспринимаемыми цветами (красный, зелѐ- ный, жѐлтый, белый, чѐрный, серый). Нельзя использовать и слишком мелкий шрифт в надписях. Полный перечень требований и нормативных документов, учи- тываемых при разработке статических элементов мнемосхемы, пред- ставлен в разделе 2.1 данного пособия. 2.2.3 Создание базы данных параметров технологического процесса На третьем этапа создается и конфигурируется база данных па- раметров технологического процесса – БД тегов (переменных) SCADA-системы. Теги бывают внешними и внутренними. Внешний тег – это переменная, являющаяся: информационным отображением физического сигнала с удаленного устройства (датчика, ПЛК и т.п.); командой диспетчера (оператора) на изменение параметра тех- нологического процесса (команда на включение/выключение агре- гата, команда на изменение уставки и т.п.); переменной внешнего приложения, подключенного к БД, например, по протоколу DDE, SuiteLink. Внутренний тег – это внутренняя (локальная) переменная, со- здаваемая искусственно, в качестве вспомогательной, и используемая только внутри проекта. Во внутренних тегах могут храниться, напри- мер, промежуточные результаты. В зависимости от типа хранимых данных теги БД разделяются на: – дискретные теги (Discrete Tags); – аналоговые теги (Analog Tags); – строковые теги (Message Tags); – трендовые теги (Hist Trend Tags); – групповые теги (Group Tags); – прочие типы тегов: индиректные (Indirect Tags), групповые (Group Tags), идентификаторы тегов (Tags ID) и т.п. Дискретные теги используются для хранения булевых пере- 34 менных, то есть переменных, которые могут принимать только два разных значения (например, «0» и «1», «включено» и «выключено»). Такой тип тега применяется для хранения состояний двухпозицион- ных объектов и для отсылки булевских команд, например, на вклю- чение/выключение агрегата: состояние «Двигатель работает» (значение «1») – состояние «Двигатель выключен» (значение «0»); состояние «Датчик сработал» (значение «1») – состояние «Датчик не сработал» (значение «0»); команда «Включить насос» (отсылается значение «1»); команда «Выключить насос» (отсылается значение «1»). Аналоговые теги хранят в себе значения аналоговых парамет- ров, то есть тех, которые имеют большой диапазон значений. Анало- говые теги отвечают за хранение, обработку таких параметров как температура, уровень, давление и т.п. Аналоговые теги разделяются на: целочисленные (Integer Tags) для хранения значений целых чисел; вещественные (Real Tags) для хранения значений чисел с плавающей запятой. Строковые теги предназначены для хранения текстовых дан- ных, например диагностических сообщений от контроллеров. Обычно теги баз данных SCADA-систем создаются в редакторе БД. Редактор БД построен по принципу «заполни бланк», то есть для каждого тега предлагается определить набор характеристик, соответ- ствующий типу данного тега. Определение характеристик произво- дится выбором из списка или вводом числовых значений. В определенных случаях теги удобней и эффективней создавать из редактора графики при разработке мнемосхемы по мере необхо- димости, так называемое создание тегов «на лету». Кроме этого неко- торые внешние теги могут быть импортированы, например, из базы переменных ПЛК, либо из внешней БД реляционного типа. 2.2.4 Написание скриптов обработки событий Написание скриптов обработки событий позволяет наделять объекты мнемосхемы необходимым функционалом. Скрипты – это программные фрагменты, состоящие из операто- ров и функций языка программирования, которые выполняют неко- 35 торую последовательность действий. Эти программные фрагменты связываются с разнообразными событиями в приложении, такими как нажатие кнопки, открытие окна, выполнение логического условия. Каждое из событий ассоциируется с графическим объектом мнемо- схемы, окном, таймером, открытием/закрытием приложения. Когда приложение содержит десятки мнемосхем, сотни различных графиче- ских объектов, а с каждым из них связано несколько событий, в при- ложении может одновременно выполняться огромное количество скриптов. В SCADA-системах выделяют следующие основные типы скриптов [3]. 1. Скрипты уровня приложения (Application Scripts) относятся ко всему приложению и используются для запуска других приложе- ний, имитации технологических процессов, вычисления значений пе- ременных и т.д. 2. Скрипты уровня окна (Window Scripts) связываются с конкретным окном. 3. Клавишные скрипты (Key Scripts) привязываются к какой- либо клавише или комбинации клавиш клавиатуры. Это может быть полезным при создании каких-либо глобальных для всего приложе- ния функций (возврат в главное окно, окончание сеанса работы с приложением и т. д.). 4. Скрипты, запускаемые кнопками (Touch Pushbutton Action Scripts) очень похожи на клавишные скрипты и связываются с объек- тами, которые будут использоваться в качестве исполнительных кно- пок. Эти скрипты запускаются при каждом нажатии на объект- кнопку. 5. Скрипты по изменению логического выражения (Condition Scripts) связываются с логической переменной или выражением, ко- торое будет принимать значения либо «истина», либо «ложь». Логи- ческие скрипты могут содержать в себе и аналоговые переменные. 6. Скрипты по изменению данных (Data Change Scripts) связыва- ются либо с переменной, либо с полем переменной. Эти скрипты ис- полняются только один раз, когда значение переменной либо поля меняется на величину, превышающую значение допуска, заданного в словаре переменных. 7. Скрипты событий ActiveX (ActiveX Event) предназначены для поддержки механизма реакции на события в ActiveX – объектах. С каждым событием может быть связан один скрипт типа ActiveX 36 Event, запускающийся в WindowViewer во время исполнения прило- жения. 8. Быстрые функции (Quick Function), подпрограммы – скрипты, которые могут вызываться из других скриптов и использоваться в выражениях при определении динамических свойств объектов. 2.2.5 Анимирование мнемосхемы На последнем этапе осуществляется наложение элементов ани- мации на статические объекты мнемосхемы, созданные на предыду- щих шагах. Статическая мнемосхема оживляется — анимируется (динами- зируется), отображая реальное состояние оборудования и сырья. Анимация служит для более понятного и простого отображения работы промышленного комплекса, либо для привлечения внимания диспетчера (оператора) к какому-либо отклонению от нормального функционирования технологического процесса. Основные анимационные методы: изменение цвета объекта в зависимости от его состояния. Например, изменение цвета значения при достижении им какого-либо порога. В соответствии с требованиями эргономики, опасные или аварийные объекты окрашиваются в красный цвет. Можно также ис- пользовать мигающую (вспыхивающую) окраску; изменение графического образа в зависимости от состояния объекта. Например, полный или пустой контейнер, положение ручки рубильника; использование мультипликации, то есть последовательности быстро сменяющихся кадров; перемещение объектов по экрану. Например, движение жидкости по трубе; изменение размера объекта; вращение частей объекта или объекта в целом; звуковая сигнализация. Анимация – это основа эргономики человеко-машинного интер- фейса. Проиллюстрируем это утверждение следующим примером. Уровень жидкости в емкости можно вывести не только как число, но и с помощью изображения высоты столба жидкости. При этом нарушения заданных границ уровня или температуры жидкости будут отображаться изменением цвета. Разные свойства одного и того 37 же элемента могут одновременно изменяться в соответствии с изме- нением разных технологических параметров, характеризующих отоб- ражаемый объект. Другой пример. Когда диспетчеру (оператору) проще опреде- лить, что запущен вентилятор? Когда рядом с его изображением ме- няется надпись с «Выключен» на «Включен», или когда лопасти начинают вращаться? Разумеется, диспетчер (оператор) быстрее среа- гирует на движение, чем на статическое изображение, а тем более текст, который нужно еще и прочесть. Анимирование мнемосхемы – это установление соответствия между значением тега БД и значением свойства элемента мнемо- схемы. Следует отметить, что возможность анимирования есть у лю- бого свойства любого элемента, который можно отобразить на мне- мосхеме. Это не только стандартные графические средства, графиче- ские средства из библиотеки элементов, но и элементы управления ActiveX. Средствами анимации надо пользоваться очень сдержанно не только из-за потенциального снижения быстродействия работы си- стемы, но и из уважения к труду диспетчера (оператора). Дело в том, что человек не может постоянно смотреть на двигающееся или мига- ющее изображение. Неизбежно притупляется внимание. Поэтому настоятельно рекомендуется придерживаться принципа «темного щита», когда ярко или, тем более, динамически отображаются только те элементы мнемосхемы, которые требуют внимания оператора «здесь и сейчас». 2.2.6 Отладка и размещение мнемосхемы Процесс отладки мнемосхемы включает в себя поиск ошибок, проверку типовых ситуации функционирования, тестирование коммуникационных протоколов. Основной метод отладки – имитационное моделирование. В процессе отладки выявляется и устраняется большая часть ошибок и недочетов, допущенных при создании мнемосхемы. После этого процесс создания мнемосхемы считается завершенным. Готовая мнемосхема переносится по информационной сети на рабочую станцию диспетчера (оператора) для выполнения рабочего процесса управления промышленным комплексом. |