Диспетчерское управление автоматизированным производством на базе SCADA системы

Ранние управляющие решения, предварившие наступление эры SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), назывались «телеметрическими» системами и представляли собой попытки организовать дистанционный мониторинг небольшого числа параметров (обычно одного-двух). В те времена никому и в голову не могло прийти, что уже к концу столетия оператор управляющей системы будет видеть буквально всё происходящее на удалённой станции. Тем не менее, все основные требования, которым должны удовлетворять современные решения типа SCADA, равно как и большинство обеспечиваемых такими решениями преимуществ, присутствовали уже в телеметрических системах начала 70 годов прошлого века хотя бы в зачаточном виде. Для отображения текущего состояния системы тогда использовались «имитационные стены» (mimic wall). Оперативность вывода информации на такие стены можно охарактеризовать как «приближающуюся к реальному времени»: показания индикаторов и лампочек изменялись вручную по мере того, как перемещающиеся по удалённым локациям операторы получали новые данные.

Аббревиатура SCADA расшифровывается как Supervisory Control and Data Acquisition — диспетчерский контроль и сбор данных. Почему контроль здесь назван «супервизорским»? В ранних SCADA-подобных системах вроде тех, что применялись в задачах водоснабжения и водоочистки в 60−70 годах XX века, связь между диспетчерской (головной станцией SCADA) и удалёнными станциями была столь призрачной, что организовать полноценный оперативный контроль не представлялось возможным.

В ранних SCADA системах, использовавшихся на предприятиях водоснабжения и сбора сточных вод, применялись арендованные телефонные пары, по одной паре на один сигнал/аларм. Однако это было слишком дорого и ненадежно. Это подвигало SCADA-операторов на поиск других решений. В 1970 годах многие попытались перейти на радиосвязь и немедленно столкнулись с целым рядом проблем: полосы частот тогда были значительно уже, чем в начале XXI столетия, а правила лицензирования частот в городах по всему миру были таковы, что зачастую превращали SCADA системы на базе радио в несбыточную мечту.

Ситуация упростилась после того, как в 70 годах прошлого века начался переход с аналоговой телеметрии, функционирующей по принципу частотной модуляции (Frequency Shift Keying/FSK), к цифровой телеметрии. Первые цифровые решения были частнофирменными, затем появились системы на базе COTS-продуктов (Commercial Off The Shelf/готовые коммерческие продукты с полки). Микропроцессоры вкупе с разработанными в НАСА технологиями сжатия и кодирования (метод Боуза-Чоудхури и др.) позволили организовывать передачу на одной радиочастоте (или по одной арендованной линии в тех случаях, когда использовать радио было нельзя) сразу несколько алармов и аналоговых величин.

В современных управляющих системах типа SCADA связь с полевыми устройствами и корпоративным уровнем реализуется поверх Ethernet или беспроводных сетей на базе технологий OPC (OLE for Process Control) и TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), не привязанных жёстко к конкретным коммуникационным протоколам и средам. В самых новых системах применяются сервисы Microsoft .NET и стандарт XML (eXtensible Markup Language), которые расширяют возможности технологии OPC и традиционных сетевых коммуникаций.

Стоит задача обеспечить обучение специалистов использованию SCADA систем для работы на производстве, конструкторских бюро и научных учреждениях. В рамках дипломного проекта разработаны вопросы методического обеспечения использования SCADA систем для разработки объектов автоматизации для студентов 4−5 курсов и обобщены наработанные на кафедре РТС материалы по данному вопросу, в разработке которых активное участие принимали студенты в рамках НИРС.

Методические рекомендации разработаны на основе SCADA Citect.

1. ОСНОВЫ SCADA СИСТЕМ

Создание системы управления предусматривает выполнение следующих задач:

— создание проекта. Для снижения риска потерь информации в результате ошибок и неисправностей (типа отказов накопителей на жёстких дисках) настоятельно рекомендуется регулярно создавать резервные копии разрабатываемых проектов:

— организация канала связи с устройством. Если в момент создания проекта все параметры канала связи будут неизвестны, вместо него можно воспользоваться «эмулятором», создаваемым в памяти компьютера;

— определение состава данных, которые должна получать, передавать и обрабатывать система путём определения так называемых тэгов. Следуя соглашениям об организации тэгов, определить большинство требуемых тэгов можно будет без знания физических адресов;

— создание графических страниц с помощью Графического редактора. После создания базовых страниц их можно будет заполнять требуемыми графическими объектами в соответствии с прикладным назначением;

— определение с помощью Редактора проектов всех параметров, не связанных с графическими страницами (например, алармов, отчётов, событий, параметров регистрации данных и т. д.).

1.1 Обмен информацией с внешними устройствами

Самая важная проблема при разработке системы управления на базе SCADA системы — это организация получения данных с устройств нижнего уровня (программируемыми логическими контроллерами, расходомерами, преобразователями частоты, и т. д.).

Современные SCADA системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня (контроллеров), так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода/вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Для подсоединения драйверов ввода/вывода к SCADA системе в настоящее время используются следующие механизмы:

а) ставший стандартом динамический обмен данными DDE (Dynamic Data Exchange);

б) собственные протоколы фирм-производителей SCADA систем, реально обеспечивающие самый скоростной обмен данными;

в) ОРС-протокол, который, с одной стороны, является стандартным и поддерживается большинством SCADA систем, а с другой стороны, лишен недостатков протоколов DDE.

Изначально протокол DDE применялся в первых человеко-машинных системах в качестве механизма разделения данных между прикладными системами и устройствами типа ПЛК (программируемые логические контроллеры). Для преодоления недостатков DDE, прежде всего для повышения надежности и скорости обмена, разработчики предложили свои собственные решения (протоколы), такие, как AdvancedDDE-или FastDDE-протоколы, связанные с пакетированием информации при обмене с ПЛК и сетевыми контроллерами. Но такие частные решения приводят к ряду проблем:

— для каждой SCADA системы пишется свой драйвер для поставляемого на рынок оборудования;

— в общем случае два пакета не могут иметь доступ к одному драйверу в одно и то же время, поскольку каждый из них поддерживает обмен именно со своим драйвером.

Основная цель ОРС-стандарта (OLE for Process Control) заключается в определении механизма доступа к данным с любого устройства системы управления. ОРС позволяет производителям оборудования поставлять программные компоненты, которые стандартным способом обеспечат клиентов данными с ПЛК. При широком распространении ОРС-стандарта появятся следующие преимущества:

— ОРС позволят определять на уровне объектов различные системы контроля и управления, работающие в распределенной неоднородной среде;

— ОРС устранят необходимость использования различного нестандартного оборудования и соответствующих коммуникационных программных драйверов;

— у потребителя появится больший выбор при разработке приложений.

1.2 Взаимодействие SCADA системы Citect с устройствами ввода/вывода

Система Citect может взаимодействовать с самыми разными измерительными и управляющими устройствами ввода вывода, оснащенными портами связи и другими каналами передачи данных (включая программируемые контроллеры, контроллеры контуров регулирования, считыватели штрих-кодов, лабораторные анализаторы, дистанционные терминальные устройства и распределённые системы управления).

В зависимости от способа подключения к системе Citect все устройства можно условно разделить на две категории: локальные (Local) и удалённые (Remote).

а) Локальные устройства в/в подключаются к серверам в/в Citect непосредственно.

б) Удалённые устройства подключаются к системе Citect через промежуточные средства связи (радиоканалы, модемные и телефонные линии и т. д.).

Связь с устройствами обоих типов может быть постоянная, периодическая или по запросу.

Типы каналов связи

Система Citect поддерживает четыре следующих типа связи:

— последовательная,

— связь с интерфейсными модулями ПЛК,

— связь с модулями накопления данных,

— связь с DDE-серверами.

Независимо от того, является ли устройство ввода вывода локальным или удалённым, наиболее часто его подключение к системе выполняется последовательными линиями связи. Как правило, используется один из трёх общепринятых стандартов: RS-232. RS-422 и RS-485.

Система Citect поддерживает множество способов подключения устройств ввода/вывода: к коммуникационным СОМ-портам компьютера, к модулям высокоскоростной последовательной связи либо к специальным связным адаптерам, поставляемым производителем устройства ввода вывода. В любом случае настройка параметров взаимодействия будет простой благодаря использованию мастера настройки связи с устройствами ввода вывода.

Сигналы поступающие в устройство ввода, вывода, могут представлять собой какие-либо технологические показатели (например, местоположение продукции, скорость вращения двигателя, состояние оборудования, температуру в печи и т. д.). Выходные сигналы обычно представляют собой

какие-либо управляющие команды типа команды запуска электродвигателя, изменения скорости вращения вала, открытия вентиля, включения индикаторной лампы и т. д. В некоторых устройствах ввода вывода (типа ПЛК) выдача выходных сигналов осуществляется под контролем программы.

Значение каждого входного и выходного сигнала хранится в устройстве ввода/вывода в отдельных ячейках памяти, называемых регистрами. Обращение к тому или иному регистру осуществляется по его адресу.

Читая данные из регистров устройств ввода-вывода и записывая в них новые значения, система Citect накапливает сведения о производственном окружении, сохраняя их для дальнейшего анализа, а также для оптимального управления технологическими процессами и используемым оборудованием.

Обычно читать данные из всех регистров устройства (или записывать в них новые данные) нет необходимости, и в состав системы Citect входит редактор проектов, с помощью которого пользователь определяет, какие входные и выходные сигналы требуется контролировать. После указания адресов соответствующих регистров можно использовать их в программах управления системой, вывода информации на операторский экран, построения трендов, регистрации данных и генерации алармов.

Устройства ввода/вывода типа ПЛК. как правило, уже имеют в своём составе программы, обеспечивающие низкоуровневое регулирование производственных процессов. Программа ПЛК непрерывно считывает (сканирует) входные регистры контроллера и устанавливает значение выходных регистров в соответствии с внутренней логикой управления. Хотя система Citect в состоянии заменить собой программу ПЛК, делать этого не рекомендуется. ПЛК отличаются очень малым временем реакции (как правило, от 1 до 100 мс). Замена их системой Citect может привести к значительному снижению общей производительности системы управления. Назначение системы Citect — дополнять программы ПЛК (т.е. обеспечивать управление и мониторинг на высоком уровне).

Компьютер, с которым непосредственно соединено устройство ввода вывода, называется сервером ввода/вывода. Сервер ввода вывода хранит в своей кэш-памяти актуальные данные, получаемые в результате периодического обращения ко всем подключенным к нему устройствам. Когда бы клиент Citect (дисплейный клиент, сервер трендов, сервер отчётов и т. д.) ни обратился к серверу, последний всегда выдаст самую последнюю информацию из своего кэша.

Система Citect обращается к компьютеру, к которому непосредственно подключено устройство ввода вывода, как к серверу ввода/вывода. С одним и тем же сервером может быть соединено несколько устройств. Чтобы получить информацию о состоянии устройства ввода вывода, клиент Citect (дисплейный клиент, серверы трендов, отчётов и т. д.) обращается не к самому устройству, а к соответствующему серверу, который осуществляет непосредственный обмен данными с устройством.

1.2.1 Переменные тэги

С каждым адресом в устройстве ввода, вывода, используемым в исполнительной системе Citect. должен быть связан отдельный переменный тэг. Определение переменных тэгов заключается в создании соответствующих объявлений в базе данных переменных тэгов. После объявления переменный тэг становится меткой, используемой в качестве ссылки на соответствующий регистр устройства ввода вывода.

Преимущество использования переменных тэгов заключается в том, что:

а) нет необходимости каждый раз вспоминать точный адрес регистра при его использовании. Названия тэгов могут быть гораздо более описательными и потому более запоминающимися:

б) адрес в устройстве ввода/вывода определяется только один раз. При изменении адреса достаточно изменить определение переменного тэга — а не каждую ссылку на этот адрес в программе:

в) в определении переменного тэга исходные данные можно масштабировать.

Переменные тэги должны иметь определённый тип данных. Наиболее часты для устройств ввода-вывода целый и логический типы данных.

В системе Citect также поддерживаются такие типы, как вещественный (Real), символьный (String), байтовый (Byte), двоично-десятичный (BCD), расширенный целый (Long) и расширенный двоично-десятичный (LongBCD).

После определения переменных тэгов их можно использовать:

— при отображении объектов на графической странице.

— для хранения данных, используемых для построения трендов и анализа.

— для мониторинга алармов.

— для управления оборудованием и технологическими процессами.

Наиболее часто поддерживаемые устройствами ввода/вывода типы данных — это целый и логический, хотя возможны и другие.

Рисунок 1.1 — Параметры переменных тэгов

Переменные тэги обладают следующими параметрами (смотри рисунок 1.1):

а) Название тэга. Оно должно быть не длиннее 32 символов. Рекомендуется использовать стандартизованный способ назначения имен, чтобы облегчить последующую работу с ними, их поиск и сортировку (название должно быть уникально в пределах кластера).

б) Тип данных — 16 символов.

BCD — двоично-десятичный. Занимает 2 байта памяти, допустимые значение 0−9999.

BYTE — байтовый, занимает 1 байт памяти, допустимые значении 0−255

DIGITAL — логический, занимает 1 бит или байт, допустимые значения 0 или 1

INT — целые со знаком, занимает 2 байта, допустимые значения — 32 768−32 767

UINT — Целые без знака, занимает 2 байта допустимые значения 0−65 535.

LONG — расширенный — 4 байта, допустимые значения -2 147 487 648−2 147 484 647

LONGBCD — расширенные двоично-десятичные, 4 байта, 0−999 999 999

REAL — вещественный с плавающей запятой 4 байта, допустимые значения — 3,4е38−3,4e38

STRING — символьный, до 256 байтов, ASCII (c нулевым завершающим байтом.)

Тип определяемого переменного тэга должен соответствовать типу данных устройства ввода-вывода. Каждый тип данных отличается своим форматом адреса, который необходимо соблюдать при определении адреса переменной. Система Citect допускает конкатенацию регистров устройств ввода-вывода. Например, два подряд идущих регистра устройства ввода-вывода можно определить в системе Citect как один тэг вещественного типа. Система будет считывать оба регистра и возвращать результат как вещественное число. При конкатенации регистров результирующие адреса должны быть либо все четные, либо все нечетные. Этой возможностью нужно пользоваться осторожно, устройство ввода-вывода должно обеспечивать целостность второго регистра.

В дополнение к данным числовых типов некоторые устройства ввода-вывода могут поддерживать строки, состоящие из ASCII-символов. Эти строки могут использоваться для хранения разнообразной текстовой информации (например, поступающей от считывателей штрих-кодов). Все строки ASCII-символов должны в устройстве ввода-вывода дополняться нулевым байтом. Нулевой символ (NULL) используется в системе Citect как символ конца строки, и если этот символ отсутствует, то дополнительно будут считываться (и отображаться) символы, не входящие в состав строки (хранящиеся в памяти после данной строки). Данные этого типа можно также использовать для хранения рецептов или отображаемых для оператора сведений. Строки символов поддерживаются не всеми устройствами ввода вывода. Однако если оно может работать с регистрами целого типа, то они могут использоваться и для хранения ASCII-строк в устройстве. Строки символов записываются только в непрерывный блок регистров и хранятся как массив символов.

— Название устройства ввода-вывода (16 символов), в котором будут храниться данные переменного тэга. Если в системе существуют резервирующие устройства ввода-вывода, то в данном поле следует указывать название основного, а не резервного устройства.

— Адрес. Адрес регистра в устройстве вводавывода, в котором хранятся данные. Формат записи и префикс адреса зависит от типа устройства ввода-вывода.

— Минимальное и максимальное исходные значения (10 символов). В этих полях указываются минимальное и максимальное значение исходных данных, которыесистема Citect считывает из устройства ввода вывода.

— Минимальное и максимальное значение в единицах измерения (10 символов).

— Границы шкалы значений в единицах измерений, определяемые на основе исходных значений. Минимальному исходному значению сопоставляется минимальное значение в единицах измерения, максимальному исходному — максимальное значение в единицах измерения. Указанные величины в единицах измерения используются при построении трендов и столбиковых диаграмм в качестве нижнего и верхнего пределов. Большинство устройств ввода-вывода возвращают целые значения, соответствующие измерениям аналоговых входных величин. Обычно устройство ввода вывода преобразует входной сигнал (как правило, но не всегда, из диапазона 4−20 мА) в выходное значение, лежащее в диапазоне 6400−32 000. Для отображения полученных показаний в некотором значащем виде их необходимо преобразовать.

Получение значений, выходящих за границы указанного диапазона исходных значений, приведёт к появлению в рабочей системе ошибки «Out of Range» (Выход за границы). Для логических и символьных типов данных задавать подобное преобразование не рекомендуется.

— Единицы измерения (8 символов). Единицы измерения преобразованных величин (например, «%», «градус», «м/с» и т. д.). Указывать единицы измерения не обязательно. Если они отсутствуют, то в отображении значений не используются.

— Формат (10 символов). Формат отображения значения тэга на графической странице, записи в файл или передачи функции в качестве аргумента символьного типа. Указывать формат не обязательно. Если он отсутствует, то по умолчанию используется формат. Для логических и символьных типов данных формат вывода обычно не указывается.

— Связанный. В поле «Связанный» в строке состояния окна определения переменного тэга отображается либо слово «Да», либо «Нет» в зависимости от того, связан ли данный тэг с внешним источником данных. При программировании устройства вводавывода программными средствами, отличными от системы Citect, внешний источник может использоваться в качестве хранилища значений тэга. Значения связанных с внешними источниками переменных тэгов обновляются вместе с каждым изменением состояния внешнего источника, устраняя, таким образом, необходимость постоянного ввода новых данных в систему Citect.

Кроме переменных тэгов в системе Citect используются тэги тренда и SPC тэги. Тэги тренда рассмотрены в разделе Тренды.

Мониторинг и совершенствование качества продукции или услуг осуществляется с помощью методов статистического контроля качества (SQC — Statistical Quality Control). Статистическое управление процессами (SPC — Statistical Process Control) — это один из главных инструментов управления качеством. В SPC входят сбор, сортировка и интерпретация производственных показателей, имеющих отношение к продукции с точки зрения однородности качества.

Отклонения свойственны любому производственному процессу. Учитывая данное обстоятельство, необходима реализация стратегии непрерывной коррекции. Приведённая далее последовательность действий позволяет предотвращать многие неблагоприятные события. Именно её постоянное выполнение и обеспечивает высокую эффективность статистического управления:

— Анализ процесса.

— Определение степени непостоянства процесса.

— Определение степени статистической управляемости процесса.

— Определение степени соответствия процесса предъявляемым требованиям и возможности их удовлетворения.

— Определение наиболее критичных задач.

— Управление процессом.

— Совершенствование процесса.

В статистическом управлении процессами реализованы следующие концепции:

— вариации;

— статистическое управление,

— устойчивость процесса,

а также следующий инструментарий:

— контрольные диаграммы Шухарта,

— диаграммы устойчивости,

— диаграммы Парето.

SPC-тэги определяют данные, которые должны накапливаться для использования в SPC-операциях. После своего определения эти данные могут оперативно анализироваться во время выполнения программы (в виде SPC-диаграмм и алармов). SPC-тэги аналогичны трендам. Система Citect может накапливать любой объём данных для SPC-операций. Единственное ограничение — доступная ёмкость жёсткого диска компьютера. (В Citect реализован весьма эффективный способ сохранения данных, обеспечивающий высокий коэффициент использования дискового пространства.) Для длительного хранения информации её можно в виде архива переписать на другой диск или магнитную ленту (не прерывая при этом нормальную работу системы). Данные могут регистрироваться как регулярно (через определённые интервалы времени), так и в момент возникновения событий (аналогично регистрации данных для построения трендов). При определении SPC-тэгов указание верхнего и нижнего допустимых предела является обязательным, если планируется анализировать устойчивость процесса. Эти значения должны достаточно точно отражать пользовательские требования, причём эталонное значение должно лежать посередине между ними. Если эти величины не указать, то анализ устойчивости будет невозможен.

Таким образом, тэги являются базой для создания проекта.

1.3 Графические средства Citect

Исполнительная система Citect, как правило, представляет собой набор графических страниц, отображаемых на экране монитора (мониторов). Графическая страница — это своего рода «окно в процесс», предоставляющее возможность не только наблюдать за технологическим процессом, но и изменять его параметры. Графические страницы могут также использоваться для отображения состояния технологического оборудования (представленного на них в виде специальных графических элементов — объектов). Графические страницы могут занимать как весь экран целиком, так и только его часть, при этом отображаться они могут в любом порядке, задаваемом как командами оператора, так и логикой управляющей программы.

Важно создать графические страницы таким образом, чтобы они охватывали весь технологический процесс и предоставляли оператору всю необходимую для управления информацию, причем процесс создания графических страниц проекта должен быть максимально упрощен, и разработчика надо снабдить полным и удобным инструментарием.

Citect предлагает разработчику следующие возможности:

— шаблоны большинства типов наиболее часто используемых страниц (окон);

— инструментарий для создания и динамизации графических объектов;

— специальный редактор для создания точечных изображений;

— библиотеку статических объектов;

— библиотеку джиннов и суперджиннов.

1.3.1 Графические инструменты и шаблоны страниц

В Citect представлен широкий набор шаблонов практически для всех типов окон операторского интерфейса. Ниже приведено описание некоторых шаблонов, хранящихся в библиотеке:

- Blank — шаблон пустой страницы;

— Normal — шаблон базовой страницы для создания мнемосхем технологических процессов;

— PageMenu — шаблон для создания страницы меню, которая позволяет оператору быстро переходить к другим страницам или группам страниц проекта;

— BookMenu — шаблон для создания меню в формате книг;

— TabMenu — шаблон для создания меню в формате таблиц;

— Single Trend — шаблон для создания страницы с одним окном трендов, в котором имеется до 8 перьев;

— Double Trend — шаблон для создания страницы с двумя окнами трендов, в каждом из которых имеется до 8 перьев;

— Compare Trend — шаблон для создания страницы с двумя трендами, наложенными один на другой в целях их сравнения;

— Pop Trend — шаблон для создания маленькой страницы трендов, которая будет играть роль выпадающей страницы;

— Alarm — шаблон для создания страницы текущих алармов;

— Summery — шаблон для создания страницы сводки алармов;

— Hardware — шаблон для создания страницы аппаратных алармов.

Независимо от выбранного шаблона в нем уже представлены все необходимые элементы: рамки, линейки и т. д.

Последовательность расположения страниц в проекте определяется при проектировании системы управления в диалоге «Свойства страницы».

С помощью средств навигации (клавиш) оператор имеет возможность последовательно переходить с одной страницы на другую в порядке возрастания (клавиша «Next») или убывания (клавиша «Prev»). Всегда под рукой у оператора находятся клавиши перехода на страницы алармов (текущие алармы. аппаратные алармы и сводка алармов).

Для быстрого перехода на произвольную страницу предусмотрена клавиша «Выбор». В каждом шаблоне страницы представлены средства отображения аварийных ситуаций и кнопка вызова справочной системы.

Рисунок 1.2 — Панель графических инструментов

На рисунке 1.2 представлен набор графических инструментов:

1. — произвольная линия; 2. — прямоугольник, квадрат; 3. — многоугольник; 4. — текст; 5. — кнопка; 6. — тренд; 7. — вставка символа; 8 — объект «ActiveX»; 9 — управление базами данных; 10 — прямая линия; 11 — круг; 12 — трубопровод; 13 — число; 14 — набор образов; 15 — объект Cicode; 16 — джинн; 17 — анализатор процессов.

Действия, необходимые для рисования объектов с помощью инструментов (смотри рисунок 1.2) очень просты и могут быть быстро освоены. Для рисования таких объектов, как прямоугольник (квадрат), окружность (эллипс), кнопка, тренд, надо щелкнуть левой кнопкой мыши по соответствующему инструменту, подвести курсор к выбранному месту рабочего поля и. нажав и удерживая левую кнопку мыши, растянуть объект до требуемых размеров.

Выбор инструментов вставка «объекта» или «вставка джинна» открывает соответствующую библиотеку. Следует выбрать объект для вставки на графическую страницу и щелкнуть «Ок».

При вставке объектов с заданием динамических свойств после выбора этого инструмента предлагается сначала щелкнуть по рабочему полю, что вызовет на экран диалог для конфигурирования свойств объекта. Из этого диалога имеется доступ в библиотеку статических объектов.

После размещения объекта, созданного любым из инструментов, на странице автоматически появляется соответствующий диалог настройки свойств объекта. Объекты, созданные такими инструментами, как кнопка, тренд, вывод данных, вставка символов с заданием динамических свойств, выражение Cicode, вставка джинна, требуют настройки свойств.

В системе Citect набор свойств для большинства объектов — стандартный (смотри рисунок 1.3):

— перемещение — горизонтальное, вертикальное, вращательное;

— размер — горизонтальный, вертикальный;

— цвет заполнения и изменение цвета;

— команды по нажатию;

— команды клавиатуры;

— ползунковый регулятор — горизонтальный, вертикальный, вращательный;

— видимость;

— блокировка;

— управление доступом.

Рисунок 1.3 — Свойства графического объекта

Диалог «Свойства объекта» содержит несколько закладок (рисунок 1.3): «Вид», «Движение», «Масштабирование», «Заполнение», «Ввод», «Регулятор», «Доступ». Щелчок мыши по любой из этих закладок выводит на экран соответствующий диалог для конфигурирования свойств объекта.

Закладка «Вид» определяет характеристики внешнего вида объекта: тип контурной линии (толщина линии, тип, цвет), цвет заполнения, тень и т. д. Здесь же определяется видимость объекта для оператора (объект может появиться на экране или исчезнуть в зависимости от выполнения некоторого условия).

Объекты или группы объектов могут перемещаться в режиме исполнения при изменении значения переменной или выражения. По умолчанию при увеличении значения этого выражения объект перемещается вправо, а при уменьшении значения — влево.

В диалоге «Движение» предлагается определить переменную или выражение, вызывающее перемещение объекта, его минимальное и максимальное значения, а также расстояния в пикселях, на которые будет перемещаться объект влево при принятии выражением минимального значения и вправо при принятии выражением максимального значения.

Ширина объекта или группы объектов может динамически изменяться в режиме исполнения при изменении значения некоторого выражения при увеличении-уменьшении значения выражения ширина объекта соответственно увеличивается/уменьшается. В диалоге «Масштабирование» предлагается определить выражение, вызывающее изменение ширины объекта, его минимальное и максимальное значение, а также минимум и максимум ширины объекта в процентах от ширины нарисованного объекта.

На закладке «Заполнение» определяются степень (уровень) заполнения объекта или его цвет в зависимости от значения выражения или переменной в режиме исполнения, где предлагается определить переменную или выражение, которые определяют изменение уровня в объекте, минимальное и максимальное значения уровня, процент закрашивания объекта при минимальном и максимальном значениях уровня, а также направление закрашивания объекта.

Закладка «Ввод» предоставляет разработчику возможность связать с объектом некоторую команду, которая будет выполняться при щелчке мыши на объекте. Можно также связать объект с командой, подаваемой с клавиатуры. В диалоге «Регулятор» определяются объекты, которые можно использовать в качестве регуляторов. При перемещении объекта оператором (например, ползунка по шкале) значение соответствующей переменной будет меняться.

Название следующего диалога — «Доступ» — говорит само за себя. Здесь определяются зоны и объекты, доступные каждому из пользователей. Например, доступ к таким объектам, как регулятор, предоставляется не всем операторам, и только просмотр текущего состояния параметров процесса может быть доступен всем.

Каждая из рассмотренных закладок диалога «Свойства объекта» в свою очередь имеет боковые закладки. Например, диалог «Движение» имеет три боковые закладки, связанные с типом перемещения: горизонтальное, вертикальное и вращательное.

В диалоге «Заполнение» представлены две боковые закладки: цвет и уровень. Для других диалогов боковые закладки помогут задать такие свойства, как видимость, команды клавиатуры, команды, которые будут выполняться при нажатии на объект и т. д.

При заполнении рассмотренных выше диалогов в них часто требуется вводить имена переменных, используемых в проекте, и функции Cicode. С одной стороны, это занимает много времени, с другой — повышается вероятность ошибки при вводе имени переменной или Cicode-функции. Во избежание этого в диалогах предусмотрена иконка, с помощью которой можно открыть список переменных проекта или список функций Cicode, соответствующих выбранному диалогу.

1.3.2 Библиотечные элементы

При разработке операторских интерфейсов пользователю приходится применять графические объекты, представляющие собой технологические аппараты (колонны, емкости, теплообменники и т. д.), участки трубопровода, клапаны и такие агрегаты, как насос, электродвигатель, контроллер и т. д. Как правило, это сложные объекты, полученные объединением множества простых объектов, или рисунки типа Bitmap

Создание каждого из этих объектов требует большого времени и может значительно затянуть разработку приложения Для ускорения работы над проектом Citect предлагает разработчику библиотеку объектов, которая включает более 500 готовых графических компонентов. (смотри рисунок 1.4)

Рисунок 1.4 — Библиотека графических образов

Библиотека состоит из большого количества разделов (например, раздел емкостей, теплообменников, клапанов, насосов, иконок и т. д.), каждый из которых содержит широкий набор объектов определенного типа.

Теперь нет необходимости рисовать объект и терять драгоценное время, если подобный объект есть в библиотеке. Достаточно открыть библиотеку объектов щелчком по иконке инструментария, выбрать раздел, затем — объект и вставлять ого в любые окна приложения. Операция вставки готового объекта занимает всего несколько секунд.

Если же нужного объекта в библиотеке нет, его можно импортировать из других Windows-программ. В Citect можно копировать объекты самых различных форматов: BMP, .DXF, .PCX. WMF и многих других.

В крайнем случае, объект можно нарисовать и скопировать в свою библиотеку. При модификации графического объекта в библиотеке автоматически меняется его образ во всех окнах, где он используется.

Часто используемые объекты и группы объектов (включая графические изображения) можно сохранять в библиотеках и использовать их неограниченное число раз.

После внедрения объекта на странице его можно перемещать, трансформировать и т. д., произвольным образом меняя его характеристики и свойства (как и любого другого объекта на странице).

Вставлять объект из библиотеки можно двумя способами: как несвязанный объект: изменение библиотечного не влечёт за собой изменение объекта на странице; как связанный объект: изменение библиотечного объекта влечёт за собой изменение объекта на странице (чтобы изменить свойства библиотечного объекта, откройте библиотеку и модифицируйте его там). Следует иметь в виду, что все изменения библиотечного оригинала немедленно выполняются со всеми внедрёнными копиями, даже если последние были перед этим модифицированы. Например, если сначала увеличить размеры копни библиотечного объекта на странице вдвое, затем вдвое увеличить размеры оригинала в библиотеке, то размеры объекта-копии также будут увеличены вдвое (второй раз). Вместе с тем пользователь имеет возможность в любой момент времени разорвать связь копии с библиотечным оригиналом, выполнив команду «Разорвать связь» меню «Правка».

При сохранении какого-либо объекта в библиотеке одновременно с ним запоминаются и все его текущие свойства и параметры. При вставке объекта из библиотеки на страницу эти свойства будут свойствами по умолчанию. Доступ к свойствам вставленного объекта несколько отличается от свойств обычных объектов: менять можно только свойство видимости.

Если вставленный объект является составным, то для доступа к его компонентам простого двойного щелчка на них кнопкой мыши будет недостаточно. Чтобы отобразить на экране таблицу свойств таких объектов, следует сначала нажать клавишу «CTRL» и, не отпуская её, дважды щёлкнуть на объекте кнопкой мыши. Можно также выполнить команду «Перейти к объекту» меню «Инструменты», указать группу и нажать кнопку «ОК». При этом, если связь объекта с библиотекой будет сохранена, большую часть свойств изменить будет нельзя.

Примером использования библиотечных объектов может стать командная кнопка, которая выполняет одинаковые функции на нескольких страницах. Один раз определив параметры такой кнопки и сохранив её в библиотеке, можно использовать её на страницах произвольное число раз, при этом свойства внедрённых кнопок будут одинаковыми.

1.3.3 Джинны и суперджинны

Как правило, каждый объект на графической странице конфигурируется отдельно от других. Джинны представляют собой группу взаимосвязанных объектов, хранимых в библиотеке джиннов (аналогичной библиотеке графических образов). Впоследствии джинны могут использоваться как обычные объекты (т.е. внедряться в страницу, перемещаться, трансформироваться и т. д.), при этом менять можно одновременно параметры всех входящих в них элементов.

В джиннах наряду с объектами могут сохраняться все конфигурационные параметры. Например, разработав пусковое устройство (с кнопкой запуска, кнопкой останова и индикаторной лампой), можно использовать его с любым оборудованием (насосами, конвейерами и т. д.), рассчитанными на управление подобного типа. Всё, что требуется менять при использовании джиннов — это сведения, уникальные для каждого конкретного насоса или конвейера (например, название соответствующего переменного тэга).

Citect предлагает два типа сложных объектов [1]:

а)джинны, которые размешаются на графической странице при проектировании системы, причем их количество на странице не ограничено;

б)суперджинны, которые представляют собой динамические страницы, активизируемые в режиме исполнения для ввода/вывода данных.

Таким образом, основное отличие этих механизмов в том, что джинн объединяет несколько объектов и привязан к странице, а суперджинн является отдельной страницей.

Суперджинн эффективно использовать, когда технологические параметры поддерживаются на заданном значении контроллером (регулятором), и оператор должен иметь возможность внести коррективы в процесс (перейти с автоматического режима работы на ручной, изменить задание контроллеру). Однако постоянное нахождение на экране всех этих элементов управления перегружает окно, а пользоваться ими оператору приходится не часто. Вот тут и приходит на помощь суперджинн (всплывающее окно).

Поскольку требования по управлению различными контурами регулирования идентичны, суперджинн можно один раз создать, определив свойства его компонентов, и сохранить в библиотеке. Для использования суперджинна на графической странице нужно лишь указывать его имя в команде, вызывающей этот суперджинн на экран.

Объекты типа джинн и суперджинн позволяют экономить дисковое пространство компьютера, так как в его памяти хранится лишь одна копия

Пакет Citect поставляется с библиотекой джиннов и суперджиннов. Вызов библиотеки производится автоматически при выборе инструмента «Вставка джинна».

Часто суперджинны и джинны используются вместе. Это достигается привязкой джинна к суперджинну, когда одна из функций джинна активизирует суперджинн. В библиотеке джиннов Citect некоторые джинны уже связаны с суперджиннами (джинны с символом руки).

Рисунок 1.5 — Джинн и суперджинн

Рассмотрим механизм работы джинна, связанного с суперджинном (смотри рисунок 1.5). Например, на мнемосхеме технологического процесса имеется несколько центробежных насосов. По каждому насосу оператор должен получать информацию о скорости вращения и иметь возможность управлять работой насоса: включить/выключить насос, выбрать режим ручного или автоматического управления насосом.

Задача очень простая — можно создать джинн, реализующий все эти функции. На мнемосхеме — несколько насосов, и для каждого нужен свой джинн. Citect допускает любое количество джиннов на странице, но она будет перегружена информацией, которая не нужна оператору постоянно.

Предлагается второе решение этой задачи — создать джинн и суперджинн. Постоянно на мнемосхеме процесса присутствуют джинны для управления насосами, один из которых представлен на рисунке 1.5. Но в этом случае они намного компактнее и не перегружают интерфейс. При определении свойств джинна на закладке «Ввод» надо задать команду, которая будет выполняться при ее нажатии. Примером такой команды может быть AssPopUp (sPage. sTagl .8).

В результате применения суперджиннов выигрывает оператор, который взаимодействует с управляемым процессом через интерфейс, имея всю необходимую информацию и средства управления.

2. ИНСТРУМЕНТЫ АНАЛИЗА ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА

2.1 Тренды

На экранах системы управления содержатся элементы позволяющие оценивать текущее состояние производственного процесса, но весьма важным преимуществом SCADA системы является возможность накапливать и выводить в виде графиков информацию о работе системы за длительный промежуток времени. Для этого используется специальный графический инструмент — «Тренд».

Вывод накопленной информации в виде трендов обеспечивает лучшее представление о состоянии производства и характеристиках используемого оборудования, тренды могут использоваться для оперативной оценки текущей ситуации (тренды и SPC-графики), ведения производственного учёта, составления графиков планово-предупредительных ремонтов и т. д.

Тренды позволяют точно указывать, какого типа информацию необходимо получать от устройств ввода/вывода. Регистрировать эту информацию можно как через регулярные интервалы времени (периодические тренды), так и при возникновении определённых событий (событийные тренды). Событийные тренды предназначены для отображения сведений, появляющихся в произвольные моменты времени (например, при сходе изделия со сборочной линии). Как правило, интересуемые данные сохраняются на диске для дальнейшего анализа либо выводятся на экран в виде тренда.

Основу трендов составляют оперативная технологическая информация. Система строит графики, регулярно запрашивая от устройств ввода/вывода требуемую единицу данных. Несмотря на то, что промежутки в данных могут быть заполнены, необходимо, чтобы устройства автоматики поддерживали указанную для них периодичность опроса (особенно если длительность интервала опроса составляет менее 100 мс).

Система обеспечивает эффективные сбор и хранение данных любого объёма (единственным ограничением является физический объем дискового пространства). Для долговременного хранения информации её можно в виде архива скопировать на другой диск или магнитную ленту (причём во время работы исполнительной системы). Для повышения эффективности использования устройства хранения файлы трендов рекомендуется держать в сжатом томе.

Сбор, хранение и обработку информации для ее представлении в графическом виде осуществляет сервер трендов. При необходимости вывода трендов реального времени и архивных трендов на экран компьютера визуализации клиент запрашивает у сервера необходимые данные. Таким образом, по сети передаются только пакеты «полезных данных» меньшего размера, что существенно уменьшает нагрузку на сеть. Citect позволяет вывести на тренд любую переменную или значение выражения на языке Cicode. На одном экране допускается размещать любое количество трендов, а в каждом окне тренда можно графически отобразить до восьми переменных.

Накопление данных продолжается даже тогда, когда дисплей не активен. Можно перемещаться по страницам проекта, не влияя на процесс построения трендов и систему регистрации данных.

В Citect можно строить периодические тренды — (регистрация данных через определенные интервалы времени с разрешением до нескольких миллисекунд), тренды по событию — (регистрация данных в момент наступления события) и периодические тренды по событию.

Конфигурирование трендов можно производить в «Проводник Citect» или в «Редакторе проектов». В этом случае в «Проводник Citect» должна быть открыта папка «Теги», а в «Редакторе проектов» — меню «Теги». По аналогии с алармами при конфигурировании трендов используется понятие «Теги». Теги — это внутренние переменные системы Citect, которым присваиваются имена с целью идентификации трендовых переменных при выводе их на экран и регистрации в файлы. Щелчок по иконке «Теги трендов» в окне «Содержимое интерфейса» «Проводник Citect» выводит на экран диалог конфигурирования трендов (рисунок 2.1). По нажатию «F2» появляется расширенная конфигурация.

Рисунок 2.1 — Экран конфигурирования тэгов тренда (расширенный)

Поле «Выражение» предназначено для ввода выражения или имени переменной, которая будет отображаться трендом.

Интервал опроса вводится в формате HH: MM:SS Можно ввести одну цифру, например 2, и это будет означать 2 секунды. Ввод десятичной дроби система воспринимает как долю секунды. Например, 0.2 будет означать 200 миллисекунд.

Поле «Тип» предназначено для выбора типа тренда (периодический, по событию, периодический по событию).

В нижней части диалога размещены четыре кнопки: «Добавить», «Заменить», «Удалить», «Справка». Конфигурирование тренда завершается нажатием кнопки «Добавить».

Для конфигурирования следующего тренда надо вновь заполнить поля диалога и снова нажать кнопку «Добавить». При каждом нажатии этой кнопки срабатывает счетчик и в поле «Запись» появляется число, характеризующее общее количество трендов в проекте. Редактирование параметров ранее сконфигурированных трендов завершается нажатием клавиши «Заменить».

Считанная с устройств ввода/вывода информация используется для построения архивных трендов и сохраняется в файлы для дальнейшего анализа.

Частоту записи в журнал и количество используемых журнальных файлов можно изменять. Для настройки параметров файлов следует открыть диалог «Теги трендов» и нажать «F2» для отображения дополнительных опций (смотри рисунок 1.6).

В поле «Метод сохранения» указывается один из методов сохранения данных: «Масштабирование» или «С плавающей точкой». Главное различие между этими методами заключается том, что в первом случае на единицу данных отводится два байта, а во втором — восемь байт.

Поле «Формат» используется для выбора формата данных при их записи в файл (данные в файл записываются в заданном формате через запятую) и поля «Время» и «Периодичность» для выбора временного диапазона и периода записи данных в файл. Например, если в поле «Периодичность» выбран [1 00:00], то это будет означать смену файла для записи данных каждый час. Запись 20^th April означает смену файла один раз в год 20 апреля.

Для отображения трендов на экране в системе Citect предусмотрены специальные шаблоны страниц:

— одиночный тренд — шаблон для создания страницы с одним окном трендов, в котором имеется до 8 перьев;

— двойной тренд — шаблон для создания страницы с двумя окнами трендов, в каждом из которых имеется до 8 перьев;

— сравнительный тренд — шаблон для создания страницы с двумя трендами, наложенными один на другой о целях их сравнения (до четырех пар графиков);

— масштабный тренд — шаблон страницы с функцией масштабирования;

— выпадающий тренд — шаблон для вывода тренда в любом месте экрана (в отдельном окне);

— тренд по событию — шаблон страницы с одним окном для тренда по событию во времени на восемь перьев.

Эти шаблоны практически исчерпывают все потребности студента при создании трендов проекта. Если все-таки появится необходимость в новом шаблоне, то Citect и в этом случае предоставит свой инструмент. В графическом редакторе на линейке инструментов имеется иконка Новый, щелчок по которой выводит на экран меню, одна из опций которого предназначена для создания нового шаблона.

Панель сравнения графиков предоставляет оператору возможность одновременно выводить два графика, назначив каждому перу свои временные характеристики. Двойной щелчок мышью по полю тренда выводит на экран диалог конфигурирования перьев (8 перьев) тренда. Вводить с клавиатуры имена переменных нет необходимости. Достаточно открыть в поле каждого пера список переменных проекта и выбрать переменную, которая будет отображаться этим пером на тренде.

Все вышеизложенное делает механизм трендов в Citect удобным не только при конфигурировании (разработке), но и в процессе эксплуатации.

2.2 Организация тревожных сообщений. Алармы

Состояние тревоги — в дальнейшем аларм — это некоторое сообщение, предупреждающее оператора о возникновении определенной ситуации, которая может привести к серьезным последствиям, и потому требующее его внимания, а часто и вмешательства. Принял ли оператор сообщение об аларме? Чтобы снять эти сомнения, в системах управления принято различать неподтвержденные и подтвержденные алармы. Аларм считается подтвержденным после того, как оператор отреагировал на сообщение об аларме. До этого аларм считается неподтвержденным.

Наряду с алармами в SCADA системах существует понятие событий. События представляют собой обычные статусные сообщения системы и не требуют реакции оператора. Обычно событие генерируется при возникновении в системе определенных условий (типа регистрации оператора в системе).

От эффективности подсистемы алармов зависит скорость идентификации неисправности, возникшей в системе, или технологического параметра, вышедшего за установленные регламентом границы. Быстродействие и надежность этой подсистемы могут существенно сократить время простоя технологического оборудования. Например, если оператор не получит вовремя информацию о том, что двигатель насоса перегрелся, это может привести в лучшем случае к выходу насоса из строя, а в худшем — к крупной аварии.

Причины, вызывающие состояние аларма, могут быть самыми разными. Неисправность может возникнуть в самой SCADA системе, в контроллерах, каналах связи, в технологическом оборудовании. Может выйти из строя датчик или нарушатся его метрологические характеристики. Параметры технологического процесса могут выйти за границы, установленные регламентом, и т. д.

Подсистема алармов — это обязательный компонент любой SCADA системы. Но возможности подсистем алармов отличаются в разных SCADA системах.

С другой стороны, когда речь идет о типах алармов, то все SCADA системы поддерживают дискретные и аналоговые алармы.

Дискретные алармы срабатывают при изменении состояния дискретной переменной. При этом для срабатывания аларма можно использовать любое из двух состояний: TRUE/ON (1) или FALSE/OFF (0). По умолчанию дискретный аларм может срабатывать на ON или OFF. в зависимости от конкретной SCADA системы.

Аналоговые алармы базируются на анализе выхода значений переменной за указанные верхние и нижние пределы. Аналоговые алармы задаются в нескольких комбинациях:

High и High High (верхний и выше верхнего);

Low и Low Low (нижний и ниже нижнего);

Deviation (отклонение от нормы);

ROC — Rate of Change (скорость изменения).

Система Citect поддерживает два типа алармов [3]:

а) аппаратные алармы. Система Citect регулярно запускает различные диагностические процедуры для проверки всего периферийного оборудования (типа устройств ввода вывода). Сведения о неисправностях предоставляются оператору автоматически. Данная функция является полностью интегрированной в Citect и не требует никакой настройки. Аппаратные алармы отображаются на специальной странице (Hardware Alarm Page).