Программные комплексы для АСУ ТП

Программное обеспечение (ПО) относится к наиболее динамично развивающимся отраслям современной индустрии; выпускающие его фирмы находятся под жестким прессингом конкуренции. Чтобы не отстать от требований рынка, они вынуждены непрерывно совершенствовать производимые пакеты и наращивать номенклатуру новых продуктов.

Типичным примером является компания Intellution — лидер в выпуске ПО АСУТП диспетчерского уровня (по английской терминологии — SCADA — или MMI — программ) на платформах Windows'95 и Windows NT фирмы Microsoft. Список программных продуктов Intellution и их краткое назначение приведены в таблице.

Paradym-31

Пакет программ Paradym-31 является реализацией направления SoftLogic в области АСУ ТП. Суть этого подхода состоит в том, чтобы использовать в качестве контролера персональный компьютер (ПК) с открытой операционной системой (ОС). Благодаря этому существенно облегчаются и удешевляются разработка и сопровождение программ, предназначенных для управления в реальном времени (РВ). Современные промышленные компьютеры обладают достаточными для производственных процессов надежностью и быстродействием для применения, и эти их качества быстро прогрессируют. Особенно удобно их применение для сосредоточенных объектов. В этих случаях один ПК может выполнять функции и контролера, и рабочего места оператора. Например, достаточно широко используются для управления в РВ ПК фирм Octagon и Advantech.

В 1996 г. фирма Intellution приобрела компанию Wizdom Controls (США), которая являлась разработчиком одного из ведущих на американском рынке продуктов SoftLogic — пакета Paradym-31. Интегрировав этот пакет со своими продуктами, Intellution предложила потребителям Paradym-31 в одном ряду с FIX.

Пакет Paradym-31 позволяет программировать на трех графических языках стандарта МЭК 1131−3: SFC, LDD и FBD. После преобразования программы получается код на языке С++. Полученный С-код компилируется в ЕХЕ-файл. В целевой компьютер (контроллер) загружаются ЕХЕ-файл, драйверы связи с объектом и ядро РВ для ОС. Сейчас поставляются диспетчеры для МС-DOS и Windows NT. Кроме того, для ОС Windows NT разработано дополнение, превращающее ее в систему с жестким РВ с периодичностью такта 1005 мкс.

Программирование осуществляется в единой интегрированной оболочке на современном уровне визуализации. Программа может быть протестирована в процессе разработки. Информация о выполнении отображается на схеме программы в наглядном виде. Немаловажно то, что для первоначальной отладки не требуется целевой контроллер.

Paradym-31 выпускается в трех конфигурациях: basic, standart и professional. Конфигурация basic поддерживает мониторинг выполнения программы на контроллере; в конфигурации standart можно дополнительно использовать ПК как рабочее место с функциями узла View пакета FIX; наконец, конфигурация professional превращает узел Paradym-31 в SCADA-сервер FIX. Все узлы имеют модификации Development (этап разработки) и Runtime (этап выполнения). Как обычно, в модификации Runtime в отличие от Development нельзя оперативно изменять проект (программу, базу данных и графические экранные формы).

Для связи с FIX используется специальный драйвер FastLink. Через DDE-протокол Paradym-31 может обмениваться и с другими приложениями, например, с Exel или Word.

Конфигурация системы с Paradym-31 Professional и узлом FIX представлена на рис. 5.9.

Пакет VisualBatch и batch-процессы

SCADA — пакеты типа FIX предназначены в первую очередь для контроля за отдельными технологическими параметрами, например за давлением, температурой или состоянием объекта. Для моделирования и контроля технологического процесса в целом, когда важны не отдельные параметры процесса, а выполнение этапов, язык SCADA-программ слишком детален. В этом случае требуется подход более высокого уровня обобщения — с учетом специфики технологического процесса.

Возможна различная классификация технологических процессов. В США принято разделение на дискретные, непрерывные и batch-процессы. К дискретным относятся, например, сборочные производства и электроника. В таких процессах основное внимание обращается на переходы между отдельными состояниями обрабатываемого продукта.

Примерами непрерывных процессов являются производство и очистка нефтепродуктов, энергетика. Главное требование здесь — поддержание заданного режима работы.

Промежуточное положение занимают процессы смешанного типа, в которых есть дискретные и непрерывные этапы, а также периодические непрерывные процессы. По западной терминологии они называются batch-процессами. Такие процессы ориентированны на выпуск товаров партиями (по-английски — batch).

Batch-процессы обычно объединяют несколько периодических процессов, протекающих в агрегатах, соединяемых параллельно-последовательно. Параметры этих процессов определяются технологическим регламентом, который зависит от выбранного оборудования, размера партии, состава сырья и других факторов. Такие процессы, как правило, являются периодическими и выпускают серийную продукцию, т. е. достаточно большой ассортимент при среднем объеме. Кроме того, в условиях быстро меняющегося рынка приходится достаточно часто перестраивать производство и технологические регламенты.

Обычно в SCADA-пакетах есть опция RECIPE (регламенты), которая позволяет разрабатывать систему уставок для управляющего технологического оборудования и загружать их в контроллеры. В частности, эту опцию имеет и FIX. Но так можно хранить сравнительно небольшое число регламентов. Функция RECIPE не решает задачи оперативной перестройки технологического процесса со сменой оборудования, слежения за выпуском партии продукта по этапам, тестирования разработки регламента и другие проблемы.

Чтобы облегчить автоматизацию batch-процессов, американское общество The Instrument Society of America (ISA) в 1990 г. начало работу по составлению стандарта, который бы регламентировал терминологию, набор понятий и моделей для этого типа процессов. В создании стандарта принимали участие как разработчики систем автоматизации (в том числе и Intellution), так и ведущие американские компании, применяющие эти процессы — от Dow Chemical до Unilever.

В апреле 1996 г. названный стандарт был официально принят под № S88.01. Предполагается, что он должен использоваться разработчиками систем автоматизации и облегчить им общение с заказчиками, а также гарантировать правильную постановку задачи разработки АСУ.

Согласно стандарту № S88.01 batch-производство представляется тремя типами моделей: физической, процедурной и технологической моделями процесса. Физическая модель состоит из описания производственного участка (process cell), установок (unit), технологических модулей установок (equipment module) и элементов автоматизации управления установками (control module), т. е. датчиков и контроллеров.

Процедурная модель (procedure, или recipe) делится на процедуру или регламент процесса в целом (procedure), процедуру отдельной установки (unit procedure), операцию (operation) и фазу (phase). Фазы — это наименьшие единицы процесса, «кирпичики», из которых строятся процедуры.

Технологическая модель процесса (process model) представляет собой объединение процедурной и физической моделей в производственном цикле (рис. 5.10).

Процесс (process) — это реализация определенной технологической процедуры на производственном участке. При этом выполнение процедуры на установке образует стадию процесса (process stage); операция процесса (process operation) — это выполнение на установке отдельной операции, а под действием процесса (process action) понимается осуществление определенной последовательности технологических операций (фаз) на установке при помощи конкретного управляющего оборудования.

В соответствии с типами моделей стандарта № S88.01 пакет VisualBatch содержит две главные подсистемы: редакторы оборудования и регламентов. Оба редактора графические. Это означает, что разработчик манипулирует мнемосхемами оборудования и алгоритмами процедур (регламентов) на графическом языке. Установки и их подсистемы изображаются специальными пиктограммами, которые можно взять из заготовленной библиотеки или нарисовать самому. Алгоритмы регламентов процесса в целом, отдельных операций и фаз строятся на графическом языке последовательных функциональных схем (SFC) по стандарту МЭК 1131−3.

Рисунок.5.10. Модели batch-процесса по стандарту № S88.01.

Регламенты делятся на главные (master) и управляющие (control). Главные регламенты заранее разрабатываются компетентным инженерным персоналом. Разработчик оперирует отдельными фазами процесса. Он устанавливает последовательность и условия запуска фаз, а также значения уставок. Поскольку таких регламентов на все возможные ситуации бывает достаточно много, то для их хранения могут использоваться реляционные базы данных, например Access и Oracle. В ходе разработки регламент можно проверить путем имитации его исполнения.

Управляющие регламенты выбираются из базы главных регламентов в соответствии с конкретными производственными условиями и исполняются при выпуске продукта на реальных технологических линиях. Оператор может запустить регламент, следить за его выполнением, приостановить, перевести на ручное управление и запустить заново. В VisualBatch ведется журнал выпуска партии продукта; с помощью специальных драйверов информация о выпуске продукта может передаваться на финансово-хозяйственный уровень производства типа SAR R/3, Oracle Application или Baan. Возможно параллельное управление несколькими технологическими процессами сразу.

Источником данных для VisualBatch служат DDEили OPC-серверы. Протокол DDEэто стандартный протокол Microsoft для обмена данными между офисными приложениями. Информация о протоколе OPC приведена далее. Если VisualBatch работает совместно с пакетом FIX, то можно одним щелчком мыши перейти к отображению параметров установки в стиле рисунков FIX.

Узлы VisualBatch делятся на VB-серверы и VB-клиенты. Серверы поддерживают базу данных PB по выпуску партии продукта. Клиенты являются рабочими местами диспетчерского персонала. Пример архитектуры узлов VisualBatch приведен на рис. 5.11.

Здесь на первом узле установлен программный пакет FIX SCADA и VP-сервер, а на втором — пакеты FIX View и VisualBatch-клиент.

Рисунок 5.11. Конфигурация узлов FIX и VisualBatch.

Internet пакеты FIX WEB Server и FIX Broadcast Network

SCADA-пакеты дают возможность подключить человека к управлению, если он находится рядом с объектом. Но что делать, когда специалист далеко, а нужно срочно получить консультацию или требуются информация и отчеты со всех производственных объектов, отстоящих на сотни и тысячи километров.

Здесь может помочь сеть Internet, которая радикально изменила общение людей. Широкие возможности она предоставляет и для подключения к производственным процессам. Для реализации этих возможностей Intellution предлагает два новых Internet-пакета: FIX WEB Server и FIX Broadcast Network.

Пакет FIX WEB Server позволяет наблюдать производственный процесс по Internet как по локальной компьютерной сети. При этом, однако, управлять процессом. Практически, чтобы получить доступ по Internet к производственной информации, достаточно установить в локальной сети рядом с узлом FIX SCADA Server дополнительный узел — FIX WEB Server. Этот узел должен иметь выход как в локальную производственную сеть, так и в Internet или Intranet (рис. 5.12). На клиентском компьютере достаточно иметь стандартное ПО для доступа в Internet. Наблюдение за процессом в этом случае аналогично использованию узла FIX PlantTV.

Пакет FIX Broadcast Network автоматизирует функцию рассылки отчетов. Он реализует puch-технологию для получения периодических отчетов по Internet. Узлам-клиентам нужно иметь стандартное ПО для Internet и программу PointCast. Информационный отдел предприятия помещает отчеты о производстве на FIX Broadcast Network сервер, который может собирать данные из FIX, реляционных баз данных (Access, Oracle) или финансово-хозяйственных пакетов (SAP R/3). Архитектура системы с узлом FIX Broadcast Network аналогична архитектуре, представленной на рис. 5.12.

Рисунок 5.12. Узел FIX WEB Server в сети.

Интерфейсы OLE и OPC для SCADA-программ

Одна из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики ПО управляющих систем РВ, состоит в стыковке между собой различных подсистем, в первую очередь контролеров и SCADA-программ верхнего уровня. В настоящее время существуют сотни различных типов контролеров с разнообразными протоколами. Их число постоянно пополняется, и в дальнейшем, несомненно, будут появляться все новые типы контролеров и протоколов. Проблема совместимости ПО может стать серьезной преградой для модернизации оборудования.

За ее решение в 1995 г. взялись пять ведущих американских компаний в области АСУТП: Intellution, Opto-22, Fisher-Rosemount, Rockwell Software и Intuitive Technology. При содействии специалистов из Microsoft они образовали комитет по подготовке универсального протокола обмена данными РВ. Деятельность комитета широко освещалась на семинарах и выставках, к его работе привлекались и другие компании. Всего в обсуждении этого протокола приняли участие около 90 компаний по всему миру. Первая версия спецификации была выпущена в 1996 г. В ней предложен программный интерфейс для обмена данными в РВ. Этот протокол основан на стандартах OLE/COM и регламентирует интерфейсы программных объектов. Разработчики постарались сделать его максимально гибким в определении формата передаваемой информации, адресации в контроле, организации данных (индексной, теговой, последовательной или иерархической), произвольной группировки информации. Допускаются различные дисциплины сканирования (опрос или по изменениям). Для передачи по сети данные могут произвольно группироваться. В соответствии с объектным подходом OLE/COM возможно расширение интерфейса.

Этот новый интерфейс назван OPC (OLE for process control). После выпуска спецификации был создан фонд разработки и внедрения OPC. Протокол OPC можно использовать не только для связи между устройствами ввода/вывода, но и как основу при обмене между приложениями РВ. Фирма Intellution применила данный протокол в целях связи между своими узлами SCADA и VisualBatch.

Для реализации названного интерфейса в серверах ввода/вывода Intellution предлагает специальный пакет OPC Toolkit. Код, полученный с помощью этого пакета, может поддерживать интерфейсы TAPI, DCOM и OLE-автоматизацию. Он снабжен средствами документирования разработки, имеет встроенную справочную систему и обучающий курс. Если требуется, интерфейс OPC может быть добавлен к результирующему коду автоматически. Пакет OPC Toolkit содержит обычный для Windows-приложенный графический интерфейс, который облегчает конфигурирование, диагностику и отладку. Генерируемый код поддерживает многопоточность, очередь сообщений и обработку по изменениям. Построенный с помощью этого пакета сервер ввода/вывода открыт для приложений на Visual Basic. Он поддерживает разделение портов (коммуникационных каналов) между серверами, диагностику и конфигурирование по сети.

Дополнительную информацию об OPC-протоколе и образцы кода можно получить на WEB-сервере Intellution и комитета OPC Foundation (www. opcfoundation.org).

FIX Dynamics — компонентное построение SCADA-программ

К рассмотренным здесь наиболее актуальным направлениям развития ПО автоматизации относится и компонентное программирование, суть которого в следующем: программа строится из модулей с универсальным открытым интерфейсом. Этот подход аналогичен методике «plug-and-play» подключения аппаратуры. Такая система позволяет достаточно просто вставлять независимо разработанные программные модули.

В качестве компонентного решения SCADA-программ Intellution предлагает пакет FIX Dynamics, в котором реализован принципиально новый подход. В существующих пакетах все подсистемы: база данных (БД), подсистема рисования и просмотра, история, тревоги и др. — неразрывно связаны. Нельзя взять одну из этих подсистем у одного разработчика, а другую — у другого. В то же время если программы поддерживают стандартный интерфейс, то их можно достаточно просто объединять. Система становится открытой и наращиваемой. Многократно увеличивается рынок программных продуктов, которыми потребитель может воспользоваться.

Кроме того, меняется и методика разработки проектов. Сегодня разработка проводится по принципу «снизу вверх». Например, сначала нужно построить основу — БД РВ. Следующий этап — создание рисунков для анимации информации из БД. Затем требуется детальная привязка рисунков к тегам БД.

Недостаток такого подхода в том, что изначально цельная картина разбивается на множество мелких деталей, из которых она должна быть собрана заново.

Из методики структурного программирования известно, что более продуктивно проектирование программного комплекса «сверху вниз», когда модель строится путем постепенной декомпозиции сложной системы на более простые подсистемы и дальнейшей подстановки готовых или специально разработанных компонент с заданным интерфейсом. При этом сохраняется содержательный смысл проекта, повышается надежность и ненужно преодолевать дополнительные трудности, связанные с этапом сборки сложной системы из мелких деталей. Важно также, что язык проекта сохраняется приближенным к технологии рассматриваемого процесса.

Например, для проекта автоматизации производственного цеха можно сначала разбить цех на компоненты — участки и агрегаты и для каждой компоненты подобрать наиболее адекватную модель. Причем эти модели не обязательно должны быть сделаны одним инструментом или получены от одного разработчика. Аналогично тому, как сейчас выбирается элементная база для аппаратуры, так может быть в принципе выбран набор моделей для описания технологического процесса.

Такая компонентная архитектура принята в новом продукте FIX Dynamics. Ядром системы служит программа I-Core, к которой по интерфейсу COM или OPC подключаются другие модули (рис.5). Программа I-Core состоит из шести разных компонент: интегрированной оболочки Intellution Workspace, поддержки сети, службы тревог, защиты доступа, системы конфигурирования и поддержки VBA и OPC.

Intellution Workspace является интегрированной средой разработчика. Ее интерфейс содержит две панели. В левой в виде дерева представлен проект, в правой ведется графическая разработка проекта. Дерево проекта наращивается по мере добавления новых компонент. Поддерживается возможность редактирования методом «drag-and-drop» .

Узлы FIX Dynamics могут быть объединены по сети с существующими узлами FIX 6,15, что позволяет безболезненно масштабировать систему автоматизации. Предусмотрена специальная защита от сбоев вставляемых элементов ActiveX Control. В качестве языка скриптов в новом пакете можно использовать Visaul Basic for Application, что многократно расширяет возможности построения пользовательского интерфейса.