СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ
advertisement
Краткий курс лекций по предмету Производственные интегрированные системы управления Industrial Information Management Подготовил Сергей Чекрыжов Кохтла-Ярве 2006 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ В данном пособии в сжатой форме изложены принципиальные основы и функциональные элементы процесса разработки интегрированных систем управления технологическими процессами. Современные технологии управления производственными системами направлены на решение следующих главных задач: повышение технико-экономической эффективности производства за счёт улучшения процесса сбора, обработки информации и её использования для целей управления; эффективность решения задачи оценивается стоимостью проектирования и реализации задачи, удобством и обеспечением оперативным взаимодействием человека-оператора и программно-технической части системы ( человекомашинного интерфейса и т.д.); обеспечение безопасности производства и его соответствия существующим европейским требованиям; показателями эффективности решения данной задачи являются: надежность, экологичность, безопасность производства, включающего как элемент систему управления и т.д. 1.Структура АСУТП «Автоматизация» - (от «ауто» – «само») – область науки и техники, связанная с вопросами управления без непосредственного участия человека. «Автоматизация» - комплекс технических, методических, организационных и др. мероприятий, направленных на создание автоматических систем управления (управления без участия человека), либо автоматизированных систем управления (управление с участием человека в процессе принятия решений на управление). Автоматические системы в дальнейшем будем обозначаться аббревиатурой «АСР», автоматизированные – «АСУ». Термин «управление» используется для обозначения задач управления более сложных, чем задача поддержания (стабилизации) технологического параметра, для которой используется термин «регулирование». АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами – как правило, иерархически организованная двух – или трехуровневая система, выполняющая функции: сбора информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ); поддержание технологических параметров на заданных значениях (уставках); контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняется функция регулирования; сигнализация о параметрах, значения которых вышли за пределы, рассматриваемые как предельно допустимые; блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала; противоаварийная защита (ПАЗ) процесса и производства при возникновении аварийных ситуаций. Перечисленные функции, как правило, выполняются подсистемами нижнего уровня. В англоязычной литературе этому уровню соответствует термин «control». Подсистемами второго и, возможно, третьего уровней выполняются такие функции как: архивирование событий; вычисление по моделям (косвенное измерение) не измеряемых технологических параметров, показателей качества продуктов производства, отдельных техникоэкономических показателей; проверка или сведение материальных и энергетических балансов для аппаратов, установок, цехов и т.д.; выработка управлений для предотвращения развития аварийных событий, в частности, подключение резервного оборудования, диагностика наличия и причины неисправности, формирование уставок для подсистем нижнего уровня и т. д. Перечисленные задачи относят к «продвинутым» (advance). Общее название подсистем данного уровня в англоязычной литературе – «SCADA»-системы (Supervisor Control And Data Acvisition). В свою очередь на этом уровне выделяют подсистемы: MES (Manufacturing execution system) – подсистемы исполнения производства или технического исполнения плана; MRP (Manufacturing resource planning) – подсистемы планирования производства с учетом наличных ресурсов и возможностей технологии. Последняя подсистема с равным правом может быть отнесена также к уровню управления, который в англоязычной литературе обозначается термином «management» и соответствует задачам управления производством и предприятием, решаемым автоматизированными системами управления производством (АСУП). В конечном счете, перечисленные подсистемы АСУТП в целом обеспечивают оперативное управление производством в реальном времени («on linе») по техническим, в частности, технологическим параметрам и показателям с учетом технических ограничений. В отдельных случаях АСУТП решает также частные задачи управления процессами по технико-экономическим показателям. В общем же случае управление производством по экономическим критериям и технико-экономическим показателям осуществляется АСУП, для которых основной целью управления является планирование производства и автоматизация процессов документооборота (режим работы «off line»), в частности, процессов снабжения производства сырьем, сбыта продукции, финансовых процессов. Задачи последнего типа относят к области интересов логистики. На уровне АСУП часто выделяют: -задачу планирования (управления) ресурсами ERP (Enterprise Resource Planning); -задачу управления основными фондами и имуществом EAM (Enterprise Asset Management). АСУП можно рассматривать как ядро или одну из главных и необходимых подсистем Интегрированных систем управления предприятием (ИСУ), целью построения и работы которых является выполнение функций АСУТП, автоматизация бизнес– процессов, когда основной задачей является представление информации в виде, необходимом для принятия решений, автоматизация задач планирования и проектирования (основная задача – автоматизация рабочего места (АРМ) лица, выполняющего соответствующую организационную работу) и т.д. Заметим, что в ИСУ обеспечивается автоматизированная информационная связь между подсистемами АСУТП, АСУП, АРМами. . Основой обеспечения качества любого производства в соответствии со стандартами ISO 9001 является наличие управления по показателям качества (или эффективности) выполнения каждого цикла производственного процесса, реализуемое на основе принципа обратной связи. Это рассматривается как необходимое условие обеспечения качества продукции, высокого уровня технологии производства и, в конечном счете, эффективности производства и бизнес-процесса. На рис. 1. приведена также функциональная схема управления , в которой SCADA– система представлена как ядро АСУТП, а всё остальное условно отнесено к АСУП. Автоматизированный технологический комплекс (АТК) – это совокупность ТОУ и АСУТП. При решении задач реализации (построения) АСУТП обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на два подмножества: 1). CASE–средства (Computer Aided Software Engineering). предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (ремиконтах); Рис. 1. Функциональная схема управления технологическим процессом 2). SCADA–системы, которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач отнесённых к SCADA – уровню. Одной из основных задач, решаемых SCADA–системами, является обеспечение высокого уровня сервиса при представлении информации о процессе. Поэтому иногда SCADA– пакеты, предназначенные главным образом для визуализации и удобного представления информации, получили название MMI – систем (Man Machine Interface). AСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами, имеющая 2 или 3 уровня и выполняющая следующие функции: - сбор информации; - поддержание технологических параметров на заданных значениях; - контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняются функции регулирования; - сигнализация; - блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала; - противоаварийная защита (ПАЗ) при возникновении аварийных ситуаций. Упрощенно структуру АСУТП можно представить в следующем виде Уровень III (уровень предприятия) Планирование и управление предприятием Производственный план, экономические требования Информация о состоянии процессов, ПК и ПЭ Оптимизаторы по ПК и ПЭ Уровень II Настройки, уставки, Параметры процесса изменение структур подсистем Уровень I Локальные подсистемы (нижний уровень АСУ ТП) регулирования Управляющие воздействия Измеряемые параметры процесса Технологический процесс Рисунок 2 - Структура информационных потоков АСУ ТП Первый (нижний) уровень АСУТП является уровнем датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Задачами уровня являются: - сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса; - выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам; - сигнализация о выходе их за заданные пределы; - блокировка ошибочных действий персонала и управляющих устройств; - противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий. Подсистемы этого уровня поддерживают параметры технологического процесса на заданных значениях и могут быть реализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами. Второй (средний) уровень - уровень производственного участка (цеха). Его функции: - сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение; - выработка управляющих сигналов на основе анализа информации; - передача информации о производственном участке на более высокий уровень; - вычисление неизмеряемых параметров, в частности, показателей качества (ПК) продуктов, технико-экономических показателей; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - генерация отчетов; - диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня; - определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок локальных регуляторов подсистем I уровня; изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.). На данном уровне производится оптимизация технологических процессов по технологическим показателям. Третий (верхний) уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления и относится к системе управления предприятием (АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим показателям. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Задачи управления данного уровня: - оптимизация экономических показателей производства; - управление по экономическим и технико-экономическим показателям; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - составление производственных планов и т.д. Следует отметить, что некоторые задачи второго и третьего уровней перекрываются и в ряде случаев эти два уровня объединяются в один. Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей: 1) операторской части, 2) системы подготовки отчетов, 3) системы анализа тенденций. Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами. Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др. Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдать за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы. На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition системы управления и доступа к данным). Internet Уровень III модем Рабочая станция Рабочая станция Сервер Файл-сервер (БД) Сервер Сеть предприятия модем HUB Радио или телефонная связь модем Среда разработки SCADA SCADA SCADA SCADA Уровень II PC HUB Сеть производственного участка Уровень I Контроллер Контроллер Монтажные платы (кросс-платы) Модули УСО ввода Электрич. датчики ПЭП Пневматич. датчики Модули УСО ввода с т/п Теромопары Модули дискр. ввода Сигнализаторы Модули УСО аналог. ввода Клапаны, задвижки Эл.двигатели, насосы ПЭП – пневмоэлектропреобразователь УСО – устройство связи с объектом Рисунок 2 – Развернутая структура современной АСУТП Структура современной АСУТП в развернутом виде представлена в виде (см. рисунок 2). 2 Аппаратная реализация систем управления 2.1 Средства измерения технологических параметров Во всем сообществе электронных средств промышленной автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ представления информации в системах управления и регулирования. Преимущества данного способа: повышенная точность передачи данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче, возможность использования одной линии связи для работы нескольких устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д. С развитием технических средств автоматизации менялись методы измерения и идеология построения самих систем измерения и управления. Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего) уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы сбора и первичной обработки информации. В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма Fisher-Rosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход , температуру и давление в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка. Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем. Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами. Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов. При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если объект не является рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных затрат на приобретение. Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при применении. Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач, позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов (например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы. Особенности применения цифровой передачи, изза отсутствия единого стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи. 2.2 Устройства связи с объектом Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3). Цифровой интерфейс Датчики Исполнительные механизмы Объект Цифровой интерфейс Промышленный компьютер УСО Аналоговый, дискретный или цифровой сигнал Вычислительная сеть предприятия АРМ оператора Рисунок 3 Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой. Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др. Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.) преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код. В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта. Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей. На УСО возлагают следующие функции: 1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналогоцифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА. 2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности. 3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы. Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных. Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью. По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые дискретные и цифровые. Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость. Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они должны обладать минимальным временем переключения, а выходные обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь. Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS232/RS-485. По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа: 1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления; 2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов; 3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов. Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную структуру: 1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал ЦИ», т.е. преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы: 1.1 Модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 4,а). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 1.2 Устройства типа «а/д модуль м.п. ЦИ» (м.п. - монтажная плата) (см. рисунок 4,б). Пример: модули фирм Grayhill, Analog Devices. 1.3 Устройства типа «а/д модуль м.п. контроллер ЦИ» (см. рисунок 4,в). Пример: контроллеры Grayhill. 2 Вспомогательные устройства: 2.1 Устройства типа «ЦИ ЦИ», служащие для преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д модуль а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech. 3 Платы для ввода/вывода данных в PC: 3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ плата РС»). 3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д плата РС»). Объект цифровой интерфейс Модуль а) Модуль Объект Модуль м.п. цифровой интерфейс Модуль б) Объект Модуль Модуль м.п. Контроллер Модуль цифровой интерфейс в) Рисунок 4 Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ. Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Модули обеспечивают выполнение следующих функций: прием и дешифрацию команд по цифровому каналу; ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и напряжение); опрос состояния дискретных входов; фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов; вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных сигналов; аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразование; цифро-аналоговое (для модулей аналогового вывода) преобразование; преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения; формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запросу по цифровому каналу. Настройка и калибровка многих модулей осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети. Примером таких модулей, выполненных в виде единого отдельного устройства, являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech. Модули позволяют создавать на технологическом участке измерительную сеть, основанную на интерфейсе RS-485 и состоящую из нескольких сегментов. Взаимодействие между основной вычислительной системой (контроллером сети, КС) и модулями, объединенными в сеть, осуществляется путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего префикс типа команды, символьное представление сетевого адреса запрашиваемого модуля, число, соответствующее подтипу команды, и символ возврата каретки. Для программного обеспечения КС выдача запроса означает выдачу строки символов в последовательный порт. При получения команды встроенное программное обеспечение модуля производит проверку его корректности и идентификацию, после чего посылает в адрес КС запрашиваемую информацию в виде строки символов. Представителем 2-го класса этого типа УСО, т.е. УСО, представляющих собой набор модулей, устанавливаемых на монтажную плату, являются модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В), Grayhill (серии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей аналогового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не обеспечивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило, частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне (14,4 кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значение входного сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо через дискретный порт ввода/вывода либо программным способом, либо используя специализированные монтажные платы, преобразующие частоту в код. Стоимость такой платы ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку она работает с частотным, т.е. дискретным сигналом, а значит, не содержит дорогих аналоговых цепей. Дополнительным достоинством устройств развязки данного класса является возможность установки на монтажную панель как аналоговых, так и дискретных модулей ввода/вывода, так как они совместимы по выводам. Входным сигналом для модулей вывода является управляющее слово в двоичном последовательном коде, которое проходит через опторазвязку и далее через буфер подается на ЦАП. Функцию посылки этого слова принимает на себя монтажная плата. К 3-му классу рассматриваемого типа УСО можно отнести микроконтроллеры фирмы Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC LT, MicroLon, DeviceNetDACNet и система OpenLine). Данные микроконтроллеры используют те же модули аналогового/дискретного ввода/вывода и монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной чертой микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть объединены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при применении РС для управления и сбора данных. Кроме того, непосредственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и исполнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает помехоустойчивость сети. Они подключаются по интерфейсу RS-422/485 к сетевому серверу, в качестве которого используется промышленный РС или обычный офисный. Коммуникационные модули предназначены для создания информационноизмерительных сетей, для увеличения протяженности линии связи или организации очередного сегмента сети (повторители). Кроме того, к этому типу можно отнести преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс RS-232, или радиомодемами. Примером подобных систем являются коммуникационные модули серии ADAM-4000 фирмы Advantech: ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485, ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485, ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485, ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232. Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией, которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с платами формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно в аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже IPC) промышленного или обычного офисного РС. Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода измеряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно несколько каналов цифрового ввода/вывода. При выборе модулей УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на основе которого построена измерительная сеть предприятия, так как в противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов. На выбор используемого интерфейса влияет топология сети и протяженность линий связи. Для разветвленных сетей и сетей с протяженными линиями (до 1200 м и более) наиболее подходящим является интерфейс RS-485. Количество устройств, подсоединенных к такой сети, ограничено 255. Выбор интерфейса RS-422 в большинстве случаев нецелесообразен, так как он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей с количеством устройств порядка нескольких единиц может быть использован RS-232. Его преимуществом является то, что он встроен во все промышленные и офисные РС и не требует дополнительных устройств. Недостаток - малая протяженность линий связи. Протяженные сигнальные линии от датчиков и исполнительных устройств к центральному контроллеру часто приводят к проблемам, связанными с недостаточной помехоустойчивостью и поиском неисправностей. Модули ввода/вывода серии ADAM-4000 фирмы Advantech наиболее целесообразно применять в распределенных системах сбора данных и прикладной области, для которых характерна невысокая скорость измерения параметров технологического процесса, подлежащих контролю. Функции локального, независимого от контроллера сети, управления представлены ограниченно и часто не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при постановке задачи комплексной автоматизации предприятия. 2.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров Промышленные контроллеры и компьютеры, расположенные на среднем уровне АСУТП, играют роль управляющих элементов, принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы. До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon др. В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров. Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю. Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала. Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РСконтроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, были компактны и имели возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти. 2.4 Промышленные сети Для организации эффективного управления производственным процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между датчиками, контроллерами и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, полевая шина) . Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия. Сейчас на рынке присутствует около 50 Fieldbus-систем. Системы, являющиеся продуктом только одного производителя, работающие по уникальным протоколам, носят название «закрытых систем» (closed / proprietary systems). Такие системы не обеспечивают совместимость приборов от разных производителей. Требованиям современной организации производства соответствуют «открытые системы» (open systems), которые приведены в соответствие специфичным требованиям всех производителей. Только на основе открытых систем может быть решена задача интеграции изделий разных производителей в одну сеть. Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств: включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей; взаимодействием (interoperability), то есть возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков; взаимозаменяемостью (inter-changeability) - возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей. Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня: 1) Field Level - промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению производством, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров; 2) Sensor / actuator Level - задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой исполнительных механизмов. Исторически все промышленные сети являются продуктом эволюции порта RS232, который предназначался для подключения на двухпроводном шнуре одного периферийного устройства к персональной ЭВМ. Его применение ограничивалось дальностью передачи 15 м, которое удалось снять путем применения токовых петель и низковольтных дифференциальных протоколов RS-422. RS-422 обеспечил полнодуплексный режим (попеременная передача данных в обоих направлениях). Однако связь приемников (10 адресов) обеспечивалась одним передатчиком. Следующим шагом стало создание серийного протокола RS-485, предполагающего многоточечное подключение (32 адреса). Работая с COM-портом и витой парой, можно выбирать любое из подключенных устройств. Применяя репитеры, можно увеличить количество адресуемых устройств. Скорость передачи по линии заметно падает на максимальных расстояниях (1300 м - до 90 Кбод, 200 м - 500 Кбод). В настоящее время RS-485 в чистом виде применяется для создания сетей сбора данных и общения с устройствами, для которых не существенны временные параметры (инертные процессы и низкоскоростные устройства). Таблица 1 - Характеристики стандартных физических интерфейсов Характеристика RS-232C ИРПС RS-422 RS-485 Вид передачи синхр./асинх асинхр. синхр./асинх синхр./асинх р. р. р. Среда передачи витая пара четырех 2 инф. линии, витая проводная 1 линия пара/две связь заземл. витые пары Помехочувствительность свойственная уровень синфазных помех в двухпроводной передаче канале до 3 В Способ кодирования 12 В 40 мА и 12В 20 мА Макс. число 1/1 1/10 32/32 приемников / передатчиков на линии Макс. длина линии 15 500 1300 (без повторителей), м Макс. скорость передачи, Кбод 38,4 6,6 90 90...500 Ограниченные скоростные возможности стандартного COM-порта (115 Кбод) привели к появлению новой сетевой идеологии нижнего уровня. В основе физического слоя (physical layer) практически всех полевых шин лежит протокол RS-485 как электрическое содержание среды передачи, различие состоит в своде правил движения информации. Для дискретных производств больше подходят асинхронные протоколы обмена. Но здесь возникает вопрос о времени отклика устройства и режиме реального времени. Еще необходимо учесть приоритетность запросов от устройств. Для (циклических) непрерывных производств более приемлемыми оказываются синхронные способы передачи. Обновление информации в контроллере осуществляется за фиксированный промежуток времени для самого удаленного узла. Этот режим позволяет работать на больших скоростях, но на ограниченных расстояниях. Синхронизация обеспечивается специальным MASTER-узлом с использованием еще одной дифференциальной пары проводов. MASTER-узел - это логический центр любой топологии. Ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего узла (MASTER). Данный принцип является наиболее распространенной на контроллерном (Field Level) и датчиковом (Sensor / actuator Level) уровнях. Помимо принципа доступа MASTER/SLAVE в некоторых сетях реализован метод CSMA/CD. Здесь каждый блок данных содержит дополнительный идентификатор, который является приоритетом данного сообщения. Каждый узел-приемник выбирает предназначенные для него сообщения. Если вернуться к вопросу о выборе того или иного протокола связи, то здесь однозначного ответа дать нельзя. Выбор должен основываться на специфике следующих признаков: непрерывность и дискретность процесса; требование работы в реальном времени (РВ); разбросанность или сосредоточенность контролируемых точек; малая (до 2-3 десятков) или большая (до нескольких сот) информационная плотность; степень электрической и(или) электромагнитной зашумленности; стоимость варианта. Наиболее распространенными Fieldbus-шинами являются: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus, WorldFIP, HART, ASI, ControlNet и др. Характеристики некоторых из них сведены в таблице 1 . Сравнительная характеристика промышленных сетей приведена в таблице 2. Таблица 2 - Возможные области применения FieldBus Протокол Непре- Дис- Возмож ДальДальрывное кретное ность ность до ность пр-во пр-во работы 3 км свыше в РВ 3 км BITBUS + + + WorldFIP + + + + CANBUS + + LonWorks + + + HART + + ASI + + + PROFIBUSFMS + + + + OP + + + + + PA + + + + INTERBUS-S + + К-во К-во Работа в уст-в уст-в зашумл. менее более 33 зонах 33 + + + + + + + + + + + + + + При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. 3 Программная реализация систем управления 3.1 Виды программного обеспечения При решении задач реализации (построения) СУ обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на подмножества: CASE–средства (Computer Aided Software Engineering), предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (ремиконтах); ОСРВ - операционные системы реального времени: pSOS, VRTX, LynxOS, VxWorks, QNX, OS9 и др. ; SCADA–системы (Supervisory Control And Data Acquisition), которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов, как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач, отнесённых к SCADA – уровню; ПТК - программно-технические комплексы: Spectrum (Foxboro, США); Intelligent Automation Series (Foxboro, США); Centum, Yew Series (Yokogawa, Япония); СКАТ (Россия); ЭСРВ - экспертные систем реального времени, к числу которых относятся: G2 (фирма Gensym); RTWorks (Talarian, США); COMDALE/C (Comdale Tech., Канада); COGSYS (SC, США); ILOG Rules (ILOG, Франция); СУБД – системы управления базами данных. MRP-системы (MRP – Material Requirements Planning) - автоматизированное планирование потребности в сырье и материалах для производства; MRP II (Manufacturing Resource Planning) – планирование ресурсов предприятия; ERP-системы (ERP - Enterprise Resource Planning – планирование/управление ресурсами предприятия с точки зрения бизнеса); EAM-системы (EAM - Enterprise Asset Management - управление основными фондами и имуществом). Логика развития АСУТП диктует необходимость интеграции разработок специализированных аппаратно-программых средств, в дальнейшем встроенных систем, применяемых для обработки информации, контроля и управления рассредоточенными по территории объектами. 3.2 SCADA-системы Средний уровень (уровень управления по показателям качества продуктов и эффективности производства) может быть реализован с использованием SCADA-систем следующих производителей, например Trace Mode (AdAstra, Россия); GENIE (Advantech, Тайвань); Genesys (Iconics, США); Real Flex (BJ, США); FIX (Intellution, США); Factory Suite, InTouch (Wanderware, США); Citect (CiTechnologies, США) и др. Перечисленные выше программные продукты предназначены для использования на действующих технологических установках в реальном времени и, следовательно, требуют использования компьютерной техники в промышленном исполнении, отвечающей наиболее жестким требованиям в смысле надежности, стоимости и безопасности. К SCADA-системам предъявляются особые требования - соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого реального времени"); - способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационно-управляющего комплекса; - способность работать в течение всего гарантийного срока без обслуживания (бесперебойная работа годами); - установка в отдаленных и труднодоступных местах (как географически малообжитые районы, так и технологически - колодцы, эстакады). Основные возможности SCАDA-систем: - сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; - архивирование и хранение информации для последующей обработки (создание архивов событий, аварийной сигнализации, изменения технологических параметров во времени, полное или частичное сохранение параметров через определенные промежутки времени); - визуализация процессов; - реализация алгоритмов управления, математических и логических вычислений (имеются встроенные языки программирования типа VBasic, Pascal, C и др.), передача управляющих воздействий на объект; - документирование как технологического процесса, так и процесса управления (создание отчетов), выдача на печать графиков, таблиц, результатов вычислений и др.; - сетевые функции (LAN, SQL); - защита от несанкционированного доступа в систему; - обмен информацией с другими программами (например, Outlook, Word и др. через DDE, OLE и т.д.). Понятие открытости ПО Открытость: аппаратная и программная Аппаратная открытость – поддержка или возможность работы с оборудованием сторонних производителей. Современная SCADA не ограничивает выбора аппаратуры нижнего уровня, т.к. предоставляет большой выбор драйверов или серверов ввода-вывода. Программная открытость - для программной системы определены и открыты используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули сторонних производителей. Для подсоединения драйверов ввода-вывода к SCADA используются два механизма: - стандартный динамический обмен данными (DDE – Dynamic Data Exchange и др.), - по внутреннему протоколу, известному только фирме-разработчику. В большинстве SCADA используется DDE, однако из-за ограничений по производительности и надежности он не совсем пригоден для реального времени. Взамен него Microsoft предложила более эффективное средство: OLE (Object Linking and Embeddung – включение и встраивание объектов). ОРС ОРС Приложение SCADA, база данных, модель и т.д. ОРС сервер ОРС ОРС SCADA драйвер устройства драйвер устройства устройство устройство SCADA Рисунок 5 На базе OLE появился новый стандарт OPC (OLE for Process Control), ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт позволяет, во-первых, объединять на уровне объектов различные системы управления и контроля, вовторых, устраняет необходимость использования различного нестандартного оборудования и соответствующих коммуникационных программных драйверов [30]. Варианты обмена SCADA-систем с приложениями и физическими устройствами через ОРС приведены на рисунке 5. Типичная последовательность действий при программировании SCADAсистемы: 1) Формирование статического изображения рабочего окна: фон, заголовки, мнемосхема процесса и т.д. 2) Формирование динамических объектов каждого окна. Как правило, динамические объекты создаются с помощью специализированного графического редактора самого SCADA-пакета по жестко заданному алгоритму или на основе набора библиотечных элементов с последующим присвоением параметров (например, рукоятка на экране). 3) Описание алгоритмов отображения, управления, архивирования, документирования. Для этого имеются соответствующие встроенные языки программирования. Для программирования контроллеров и SCADA-систем стандартизированы 5 языков программирования (IEC 1131-3): - SFC – Sequential Function Diagrams – последовательности функций, блок-схемы; - FBD – Functional Block Diagrams - язык функциональных блоков; LD – Ledder Diagrams – язык релейных схем; ST – Structured Text – язык, похожий на Pascal; IL – Instruction List – язык мнемоник, ассемблер Cicode - язык программирования Cicode, сравнимый по возможности с языками Pascal Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт. Язык FBD Является графическим языком функциональных блоков (ФБ). Программа для контроллера представляется в виде набора функциональных блоков, соединенных дугами, имитирующими входные, выходные и промежуточные переменные (рисунок 6). В качестве входов могут быть любые константы и переменные. Входы конфигурируются (соединяются) с выходами и должны совпадать с ними по типу. Стандартная библиотека ФБ: - присваивание переменных, - логические операции (AND, OR, NOT, XOR и т.д.), - арифметические действия, - сравнение, - операции преобразования форматов, - доступ к системным параметрам (сброс счетчика, изменение параметров таймера и др.), - тригонометрические функции, - алгоритмы управления (реле, ПИД-закон) и др. Пример реализации логической функции y = (x1 AND NOT x2) OR x3 изображен на рисунке 7. х1 входы х2 ФБ ФБ выходы ФБ ФБ х3 у1 у2 Рисунок 3.6 х1 & х2 х3 1 Рисунок 7 у Язык LD Является языком релейных схем, стандартным графическим вариантом класса языков релейно-контактных схем. Логические выражения описываются в виде реле. Ввиду своих ограниченных возможностей язык дополнен таймерами, счетчиками и т.д. х1 х2 у х3 Рисунок 3.8 Язык SFC Относится также к графическим языкам программирования и используется для описания алгоритмов в виде функциональных карт Функциональные карты описывают управляющие последовательности с помощью заранее определенных правил для управляющих действий, которые необходимо произвести в определенной последовательности, а также деталей исполнения каждого шага. Карты состоят из наборов связанных пар «шаг – условие выполнения шага». Переход представляет собой набор операций над переменными. Переход – набор логических условных выражений, определяющий передачу управления следующей паре «шаг – переход». Шаги и переходы обязательно чередуются. Функциональная карта разделена на две части: 1) порядковая часть (sequence part) – описывает последовательность главных управляющих шагов (левая сторона), но не содержит исполняемых действий; 2) управляющая часть (control part) – описывает исполняемые действия (блоки справа от шагов). Каждое действие должно быть связано с каким-либо шагом и может быть описано принципиальной схемой, логической цепью или булевым выражением. Язык SFC не имеет средств для описания шагов, поэтому они выражаются средствами других языков стандарта. шаг переход Х NOT X Рисунок 9 Порядковая часть функциональной карты в соответствии со стандартом IEC 848 состоит из столбца пронумерованных блоков, изображающих одиночные шаги. Вертикальная линия, соединяющая каждый блок с последующим, изображает активные соединения (прямые связи). Каждый переход от шага к шагу связан с логическим условием, называемым условием перехода (transition condition). Булево выражение для условия перехода записано рядом с горизонтальной чертой. Если условие удовлетворено, т.е. соответствующее выражение истинно, происходит переход и система выполняет следующий шаг. Язык ST Текстовый язык высокого уровня, по синтаксису ориентированный на Pascal. Язык предоставляет булевы и арифметические операторы, а также конструкции структурного программирования: IF … THEN … ELSE CASE … WHILE … DO REPEAT … UNTIL и т.д. Пример: VAR X1, X2, X3, Y: END VAR IF X1=TRUE THEN X2:=FALSE: END IF: IF X3=TRUE THEN X2:=FALSE ELSE X2:=TRUE: END IF: Y:=(X1 AND NOT X2) OR X3 END FUNCTION BLOCK Язык IL Текстовый язык низкого уровня. Выглядит как язык Ассемблера, но к архитектуре конкретного процессора не привязан. Языки IEC 1131-3 содержат богатый набор стандартных функций: - булевские; - числовые (ADD, SUB, MOD, ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN и т.д.); - преобразования типов; - сравнения (INSERT, DELETE, REPLACE, FIND и другие); - а также функции, определяемые производителем и пользователем. Функциональные блоки: - синхронизации состояний; - дифференцирование переднего и заднего фронтов (R.TRIG, F.TRIG); - счетчики (TP, TON, TOF, RTC); - и др. функциональные блоки, в том числе определяемые пользователем. Типы данных: - битовые строки (BOOL, TYPE, WORD, DWORD, LWORD); - целые (INT, SINT, DINT, LINT); - беззнаковые целые (USINT, IDINT …); - вещественные (REAL, LREAL); - временные (TIME, DATE, TIME OF DAY, DATE OF TIME); - строки символов (STRING). Имеется возможность задавать также массивы, структуры и т.д. Одна и та же программа для PLC может быть написана на разных языках, а также на смеси языков. Например, одни функциональные блоки на FBD описываются с помощью LD, другие – на ST, FBD и т.д. Все языки поддерживаются соответствующим ПО, наиболее распространенным из которых является ISaGRAF фирмы CJ International. Этот программный продукт представлен в виде двух частей: набора средств разработки и исполняемого на целевом PLC ядра-интерпретатора. Набор средств разработки исполняется на компьютере проектировщика и состоит из редактора, отладчика и препроцессора (подготавливает описанный алгоритм управления к виду, понятному интерпретатору). Этот набор позволяет тестировать алгоритм в режиме эмуляции и получать листинг алгоритма на языке его описания. После создания и отладки пользовательская программа загружается в память PLC для исполнения. В PLC ядро-интерпретатор транслирует пользовательский алгоритм. Достоинство данной технологии разработки программ: машинно-зависимым является ядро, а не программа, что позволяет создавать программы для разных PLC, переходить с одного PLC на другой без переотладки. Недостаток: более медленное исполнение программы. 3.2.1.Особенности использования Citect Разработчиком SCADA-системы Citect является австралийская фирма Ci Technologies (Ci – Control Instrumentation). Citect – это программный пакет, созданный на основе большого опыта компании, которая более 20 лет является системным интегратором. Опыт системной интеграции вложен не только в собственно ПО, но и в «базу знаний», которая воплотилась в help-функциях, а также в ноу-хау в решении проблем, связанных с 300 ПЛК, поддерживаемыми этим пакетом. При покупке SCADA-пакета первоначальные вложения, как правило, достаточно высоки. Причем среда разработки, как правило, значительно дороже, чем среда исполнения. Удивительно, но Ci Technologies предлагает пользователям систему разработки бесплатно, цена же системы исполнения сравнима с другими SCADAпакетами. Одна из характеристик Citect – гибкость, которая проявляется в нескольких чертах. Во-первых, для Citect естественным является режим распределенной разработки приложений. Во-вторых, в Citect заложено огромное многообразие подходов к разработке приложений. Так, возможна разработка приложений без программирования вообще на основе поставляемых библиотек графических объектов, шаблонов, драйверов и т.д. Возможна разработка приложений с использованием программирования в большей или меньшей степени. При этом, в зависимости от профессиональных навыков разработчика, приложение можно создавать как с помощью языка пакета Citect, называемого Cicode, так и более знакомых, традиционных языков программирования (Visual Basic, C). Иногда сложно предусмотреть детальную топологию проекта с распределением функциональных возможностей по узлам. В Citect предусмотрено простое наращивание дополнительных узлов проекта и возможность перераспределения их функций. Выполняются такие процедуры в процессе конфигурирования каждого узла. Указанные выше особенности данного пакета особенно важны, когда SCADA-пакет используется впервые, поскольку не требуют больших финансовых вложений, с одной стороны, а с другой – позволяют проанализировать все возможности системы (не демоверсии!). 3.2.2. Технические возможности системы Citect используется как 32-разрядное приложение Windows NT, Windows 95 и 98. Сбор данных, формирование алармов и построение трендов может происходить одновременно с редактированием и компиляцией. Ядро пакета является многозадачным ядром реального времени с вытеснением задач по приоритетам. 3.2.3. База данных реального времени Для каждого нового проекта в Citect автоматически создается файловая структура в формате .dbf. Для хранения данных каждого проекта инициализируется около 60 файлов. Под каждую задачу проекта отведен «свой» файл (например, файл дискретных алармов, файл аналоговых алармов, файл переменных проекта, файл графических страниц и т.д.). Эти файлы могут отдельно импортироваться в Excel для редактирования или документирования. 3.2.4. Архитектура клиент-сервер Citect Citect ориентирован на реализацию архитектуры клиент-сервер и имеет в своем составе пять функциональных модулей (серверов или клиентов): I/O - сервер ввода-вывода. Обеспечивает передачу данных между физическими устройствами ввода-вывода и другими модулями Citect; Display – клиент визуализации. Обеспечивает операторский интерфейс: отображение данных, поступающих от других модулей Citect, и управление выполнением команд оператора; Alarms - сервер алармов. Отслеживает данные, сравнивает их с допустимыми пределами, проверяет выполнение заданных условий, и отображает алармы на соответствующем узле визуализации; Reports - сервер отчетов. Генерирует отчеты по истечении определенного времени, при возникновении определенного события или по запросу оператора; Trends - сервер трендов. Собирает и регистрирует трендовую информацию, позволяя фиксировать развитие процесса в реальном времени или ретроспективно в окне трендов или в файле. Каждый функциональный модуль Citect исполняется как отдельная задача независимо от того, исполняются ли модули на одном компьютере или на разных. Поэтому Citect позволяет строить архитектуры различной сложности. Простейшая архитектура состоит из одного компьютера (узла), на котором работают все модули. Если в больших прикладных системах этот узел становится перегруженным, то серверы (I/O, Alarms, Trends, Reports) могут устанавливаться на разных узлах. А если задача сервера ввода-вывода перегружает узел, то можно увеличить число серверов ввода-вывода. Все узлы визуализации могут осуществлять доступ ко всем серверам через сеть. Citect поддерживает NetBIOS, TCP/IP и другие сетевые протоколы. Одновременно могут исполняться несколько протоколов. 3.2.5. Алармы Citect поддерживает аппаратные и конфигурируемые алармы. Аппаратные алармы призваны информировать оператора о неисправностях, возникающих в устройствах системы управления (контроллерах, модулях ввода-вывода, каналах связи и др.). Алармы, вызываемые отклонениями технологических параметров за допустимые границы, неисправностью технологического оборудования, надо предварительно конфигурировать. Система Citect позволяет конфигурировать алармы по отдельным переменным, по группам переменных, по выражениям, по результатам расчетов и т.д. Различают четыре вида конфигурируемых алармов: цифровые алармы, возникают в ответ на изменение состояния; аналоговые алармы, базируются на анализе выхода за указанные верхние и нижние пределы, отклонении от нормы, превышении пределов скорости изменения; алармы с метками времени, базируются на таймере, который работает в контроллере и регистрирует алармы с точностью до миллисекунд. Метка времени обычно используется для изучения тревожных ситуаций, когда одновременно возникает целый ряд алармов. С помощью метки времени можно выявить последовательность возникновения алармов; составные алармы, возникающие в результате комбинации событий. 5.2.6. Отчеты Язык программирования Cicode поддерживает простой набор операторов, с помощью которых можно генерировать отчет и задавать его шаблон. Как правило, отчеты генерируются в некоторые моменты времени, задаваемые таймерами и счетчиками. Можно также задавать событие, которое запускает генерацию отчета и уровень привилегированности пользователя, определяющий права пользователя на запуск генерации отчетов. Можно также генерировать отчеты в Excel с помощью DDE-связей. В Citect есть и электронная почта, по которой отчеты могут посылаться. 3.2.7. Резервирование Еще одним отличительным свойством Citect является то, что среди стандартных функций здесь предусмотрено дублирование. Сервер ввода-вывода может дублироваться с помощью резервного сервера ввода-вывода, на котором выполняется та же самая прикладная задача. При отказе основного сервера резервный сервер продолжает работу без какой-либо потери информации. Могут также дублироваться серверы трендов, отчетов и алармов. Дублирование возможно и на уровне сети. Это делается установкой в компьютере двух сетевых карт и организацией дублированной связи с контроллерами. Утилита «Computer setup» («Установка компьютера») позволяет конфигурировать компьютер как узел визуализации (клиент), как основной или резервный сервер вводавывода, сервер алармов, трендов или отчетов. Она также позволяет конфигурировать временную синхронизацию и запрещение срабатывания определенных клавиш. 3.2.8. Язык Cicode В Citect встроен гибкий язык программирования Cicode, сравнимый по возможности с языками Pascal, C. Именно на нем написана сама SCADA-система. Cicode позволяет создавать программы любой степени сложности. Язык Cicode поддерживает, например, 40 операторов для управления алармами, 19 операторов для работы с файлами, 18 SQLфункций, 50 операторов для организации работы с трендами и множество других. Исходный файл на Cicode создается редактором и компилируется вместе с проектом. Проект всегда компилируется с системой исполнения. Во время компиляции проверяются все dbf-файлы, транслируется Cicode. Во время исполнения системы может активизироваться специальное ядро, которое поддерживает команды мониторинга контроллеров и сетевых взаимодействий, проверки загрузки центрального процессора, проверки ошибок и т.д. 3.2.9. Возможности HMI в Citect Графические объекты на дисплеях оператора можно построить с помощью Графического редактора (Graphics Builder). Citect поддерживает неограниченное количество окон – «страниц». Для их создания предлагается использовать библиотеку шаблонов. Для упрощения создания графических объектов на странице поставляются три библиотеки – объектов, джинов и суперджинов. Объекты – это статические картинки, классифицированные по группам, таким как механизмы, резервуары, насосы и т.д. Джины и суперджины – это динамические объекты, к ним могут прикрепляться различные переменные. Часто при разработке графического интерфейса приходится создавать типовые группы объектов, предназначенные для решения конкретной задачи. Например, группа из трех объектов (кнопка «ПУСК», кнопка «СТОП» и индикатор состояния – лампочка зеленого/красного цвета) предназначена для пуска/останова насоса, электродвигателя и т.д. с индикацией их состояния. Тогда каждый раз для решения этой задачи разработчику придется создавать эти три объекта и конфигурировать их (задавать свойства). Но таких задач на одной графической странице может оказаться много. Очевидно, что время специалиста в этом случае будет расходоваться неэффективно. Для решения подобных задач Citect предлагает механизм, названный джином. Несколько связанных объектов объединяются в группу, группа сохраняется в библиотеке джинов, которая устроена аналогично библиотеке объектов. Джин может управляться как единый объект (его можно копировать, перемещать, масштабировать и т.д.). Теперь на решение вышеописанной задачи уйдет гораздо меньше времени. Надо лишь выбрать требуемого джина из библиотеки и вставить в графическую страницу. С помощью суперджина реализуется такой же механизм, но только по отношению не к группе объектов, а к целой странице. Объекты типа джин и суперджин позволяют экономить дисковое пространство компьютера, так как в его памяти хранится лишь одна копия. 3.2.10. Выводы Главными достоинствами Citect являются: истинная структура клиент-сервер; открытая архитектура; богатые возможности языка Cicode; встроенное резервирование; система помощи (help), основанная на богатом опыте компании Ci Technologies как системного интегратора. Все эти функции в сочетании с низкой стартовой ценой обеспечивают сильные рыночные позиции пакета Citect. Характеристику других SCADA систем можно найти на следующих адресах http://www.adastra.ru/ , http://tornado.nsk.ru/catalog/scada_intouch.shtm, http://www.indusoft.ru/intellution/teach_104.html На предприятиях Ида-Вирумаа представлены практически все перечисленные SCADA системы, поэтому при разработки систем визуализации необходимо стремится к определённой унификации и сокращение числа используемых систем. 3.3 Работа с СУБД 3.3.1 Принципы работы баз данных База данных (БД) – информация, связанная между собой по определенному признаку, хранимая и организованная особым образом, как правило, в виде таблиц. Пример таблицы БД приведен на рисунке 3.10. запись (строка, кортеж) Номер замера 1001 … Скважина Дата Время Дебит 958 … 02.07.2003 … 19:50:20 … 102 … поле (столбец, а трибут) Рисунок 10 Функции БД: - добавление новой информации; - добавление новых таблиц; - изменение информации в существующих таблицах; - поиск информации; - удаление информации; - удаление таблиц. Существует большое количество программ, которые предназначены программной поддержки БД и образуют класс систем управления БД (СУБД). для СУБД выполняет функции: - управление данными непосредственно в БД, находящейся на сервере; - управление данными, находящимися в памяти компьютера – функция, связанная с тем, что СУБД работают с БД большого размера; в целях ускорения работы СУБД используется буферизация данных в памяти каждого компьютера; - управление транзакциями – функция, которая производит ряд операций над БД как над единым целым. Транзакция – манипуляция над данными (добавление, изменение, удаление, запрос). Если транзакция успешно выполняется, то СУБД вносит соответствующие изменения в БД, в противном случае БД не изменяется; - управление изменениями и протоколирование – функция, связанная с надежностью хранения данных, т.е. возможностью СУБД восстанавливать состояние БД в аварийных ситуациях, например, при выключении питания, сбое носителя информации и т.д.; для восстановления используется журнал транзакций и архивная копия БД; - поддержка языков БД – для работы с БД используются специальные языки, наиболее распространенным из которых является SQL. Сервер Сеть или коммуника ционное ПО Клиент Клиент Клиент Рисунок 11 Для работы с БД, как правило, используется архитектура «клиент - сервер» .Основу СУБД составляет сервер БД – программа, осуществляющая комплекс действий по управлению данными. В качестве клиента БД может выступать другая программа, работающая на том же компьютере, что и сервер, либо на другом, связанном с компьютером-сервером посредством сети. Таким образом, данная архитектура включает, как минимум, три компонента: - сервер БД, который, собственно, и является СУБД; - клиенты БД – программы или компьютеры с соответствующими программами, выполняющие запросы к серверу; - сеть или коммуникационное программное обеспечение (рисунок 11). В принципе, и клиентская, и серверная части СУБД могут находиться на одном компьютере, но, в большинстве случаев, на предприятиях программа-сервер запускается на одном компьютере (сервере), а программа-клиент – на рабочих компьютерах. На практике наибольшее распространение получили т.н. реляционные БД, представляющие собой набор таблиц, связанных отношениями. При этом в каждой таблице имеется одно или несколько полей, называемых первичными ключами и однозначно определяющих конкретную запись в таблице. Зная значение первичного ключа, всегда можно определить конкретную запись в таблице и, следовательно, значения остальных полей записи. Например, первичными ключами могут служить номер технологического объекта (уникальный), табельный номер оператора, идентификационный номер работника и т.д. Фамилия работника, тип установки и т.д. первичными ключами являться не могут, т.к., например, на предприятии могут работать несколько работников с одинаковыми фамилиями или функционировать несколько однотипных установок. Т.е. первичный ключ должен быть уникальным и, по возможности, целочисленным. Первичный ключ может состоять из нескольких полей (составной первичный ключ). Сейчас в качестве ключей целесообразно пользоваться идентификационным номером и секретным «словом». Связи между таблицами осуществляются посредством первичных ключей. На рисунке 12 приведен пример БД, состоящей из трех таблиц («Технологические объекты», «Датчики» и «Измерения»). Обозначены поля: N_об – номер технологического объекта, N_дтч – номер датчика. Связи (отношения между таблицами) могут быть идентифицирующие и неидентифицирующие. Если запись в таблице-потомке однозначно определяется своей связью с таблицей-родителем, то отношение между этими таблицами является идентифицирующим. В этом случае первичный ключ таблицы-родителя становится первичным ключом (или частью первичного ключа) таблицы-потомка. Например, отношение «производят» на рисунке 14 является идентифицирующим для таблицыродителя «Датчики» и таблицы-потомка «Измерения», поэтому первичный ключ таблицыродителя (поле «N_дтч») становится частью составного ключа таблицы-потомка. Отношение «содержат» является неидентифицирующим, поэтому первичный ключ таблицы-родителя «Технологические объекты» (поле «N_об») становится обычным полем таблицы-потомка «Датчики». 3.3.2 Обеспечение безопасности баз данных При работе СУБД возникает необходимость защиты БД от возможных случайных или преднамеренных ситуаций, когда существует вероятность потери данных. Например, при доступе к БД одновременно нескольких пользователей возможна неправильная запись данных. Для ликвидации возможностей этого используется механизм транзакций. Транзакция – неделимая с точки зрения воздействия на БД последовательность операторов манипулирования данными такая, что возможны два итога : - результаты транзакции отображаются в БД, - воздействие транзакции на БД полностью отсутствует. Технологические объекты Тип печь печь колонна N_об 102 103 104 Наим. П-2/1 П-2/2 К-35 Год постр. 1993 1994 1993 Установка депарафинизация депарафинизация крекинг содержат неидентиф. связь первичные ключи Датчики идентиф. связь N_дтч Тип 10128 10129 10130 LE PT LE Фирма Марка унаследованный первичный ключ (поле N_об) составной первичный ключ N_дтч 10129 10129 10129 10128 унаследованный первичный ключ (поле N_дтч) Измерения Дата 01.05.03 01.05.03 02.05.03 02.05.03 Год устки 2005 2005 2005 Время 19:00:00 19:10:00 12:00:00 12:00:00 Знач-е 3,4 3,4 3,5 20,8 N_об 102 102 103 В СУБД транзакция начинается с оператора BEGIN. Если она завершена оператором COMMIT, то результаты фиксируются в БД, если ROLLBACK – отсутствуют. Оператор COMMIT устанавливает т.н. точку фиксации, т.е. момент, когда заканчивается единица работы, следовательно, БД будет находиться в целостном состоянии как в начале, так и в конце транзакции. Восстановление БД – процесс, подразумевающий возвращение БД в правильное (целостное) состояние, если какой-либо процесс вызвал сбой данных. Восстановление базируется на принципе избыточности БД, при этом по части хранимых данных имеется возможность восстановления всей информации полностью. Восстановление информации может быть осуществлено по журналу транзакций, в который заносится информация о транзакциях, начавших свое выполнение и успешно завершившихся. Если после перезагрузки системы в журнале будут встречены транзакции, начавшиеся до сбоя, но не закончившиеся, то для них выполняется команда ROLLBACK. 3.3.3 Операторы языка SQL Запрос к БД внутри транзакции пишется на языке SQL, с помощью которого формируются предложения : - определения данных – создание/уничтожение новых таблиц; - запросов на выборку данных; - модификации БД (добавление, удаление, изменение); - управления данными (управление транзакциями, привилегиями). Кроме того, SQL позволяет выполнять: - арифметические вычисления; - упорядочивание строк, столбцов при выводе на экран/принтер; - интерпретацию данных; - сохранение результатов запроса в других таблицах; - группирование данных, суммирование, подсчет и т.д. Достоинства языка SQL: - стандартность (поддерживается стандартами ANSI и ISO); - независимость от конкретных СУБД, т.е. БД можно переносить с одной СУБД на другую без доработок; - поддержка реляционных БД; - немедленный доступ к данным без написания программ; - обеспечение различного представления данных; - возможность динамического изменения и расширения структуры БД; - поддержка архитектуры «клиент-сервер». У каждого объекта БД (сервер, таблица, поле таблицы) есть свое уникальное имя (в SQL имя должно содержать до 18 символов английского алфавита большими буквами). Рассмотрим три таблицы: OBJECTS – таблица «Технологические объекты»; N_OBJ – номер объекта (поле «N_об»); TIP – тип объекта; NAIM - наименование объекта; GOD - год постройки; SENSORS – таблица «Датчики»; N_SENS - инвентарный номер датчика (поле «N_дтч»); TIP - тип датчика; FIRMA - фирма-производитель; MARKA - марка датчика; GOD_UST - год установки на объект; N_OBJ - номер объекта, на котором установлен датчик; IZMER – таблица «Измерения»; N_SENS - инвентарный номер датчика; DATE - дата измерения; TIME - время измерения; MEAN - значение измеренной величины. Например, если таблица OBJECTS находится на сервере SERV, то полное имя таблицы будет SERV.OBJECTS Для доступа к конкретному полю этой таблицы: SERV.OBJECTS.TIP Для заполнения таблицы используются следующие типы данных: DEC(точность) - десятичное число с дробной частью; NUMERIC - десятичное число с определенной точностью; INT или INTEGER – целое число; SMALLINT – целое число; FLOAT(точность) – экспоненциальная форма числа; REAL – вещественное число с заданной точностью; DOUBLE – эквивалент REAL с более высокой точностью; CHAR(макс. количество символов) – строковая переменная; TIME – время. Выборка данных из таблицы производится оператором SELECT. Например, команда SELECT N_SENS, TIP, N_OBJ FROM SENSORS; выедет таблицу с тремя колонками (номер датчика, тип и номер объекта) с данными из таблицы SENSORS. Признаком завершения команды является точка с запятой. SELECT * FROM SENSORS; выводит все данные из таблицы SENSORS. SELECT DISTINCT TIP, FIRMA, MARKA FROM SENSORS; выведет все марки датчиков без дублирования (операнд DISTINCT). Использование условий поиска: SELECT N_SENS, TIP, MARKA FROM SENSORS WHERE FIRMA=’Метран’; выводит список всех датчиков, произведенных фирмой «Метран». SELECT FIRMA, MARKA, TIP FROM SENSORS WHERE GOD_UST>2000; выводит список датчиков, установленных после 2000 года. В операторе WHERE должны быть использованы логические операции: >, <, =, >=, <=, AND, OR, NOT. Кроме того, могут использоваться специальные операнды IN, BETWEEN, LIKE, IS NULL. Операнд IN определяет набор значений, в который данное значение должно быть включено, например, SELECT MARKA, GOD_UST FROM SENSORS WHERE FIRMA IN (‘Метран’, ‘Siemens’, ‘Fisher’); выводит только датчики указанных фирм; SELECT MARKA, FIRMA FROM SENSORS WHERE GOD_UST BETWEEN 1985 AND 1989; выводит список датчиков, установленный в период с 1985 по 1989 год; SELECT N_SENS FROM SENSORS WHERE MARKA IS NULL; выводит список датчиков, у которых не указана марка. Для получения итоговых данных могут использоваться функции: SUM – сумма значений, COUNT – количество, AVG – среднее значение, MAX и MIN – максимальное и минимальное значения. Для группирования данных используется операнд GROUP BY: SELECT N_SENS, MAX(MEAN) FROM IZMER WHERE (DATE > 01/05/06 AND DATE < 31/05/06) GROUP BY N_SENS; выдаст таблицу из двух колонок: номер датчика и его максимальное значение, которое он дал за май 2006 года. Упорядочивание таблиц по возрастанию производится операндом ORDER BY <поле> ASC или убыванию ORDER BY <поле> DESC. Для объединения нескольких запросов в одну транзакцию используется оператор UNION: SELECT … UNION SELECT … ; Для многотабличных запросов используются полные имена полей: SELECT SENSORS.TIP,IZMER.DATE,IZMER.TIME,IZMER.MEAN FROM SENSORS, IZMER WHERE SENSORS.N_SENS=IZMER.N_SENS; выводит таблицу из четырех колонок: тип датчика, дата, время и значение изерения. Внутри операнда WHERE может находиться самостоятельная команда SELECT. В этом случае сначала выполняется вложенный запрос, затем из его результатов отбираются результаты для основного запроса. Добавление новых записей в таблицу производится оператором INSERT INTO <таблица> VALUES, например: INSERT INTO SENSORS VALUES (10260, ‘FE’, ‘Grundfos’, ‘Flow’, 2003, 102); INSERT INTO SENSORS(N_SENS, TIP, N_OBJ) VALUES (10278, ‘LE’, 102); добавляет в таблицу SENSORS запись о новом уровнемере с номером 10278, установленном на объекте 102, без указания марки и фирмы-изготовителя. Удаление записей: DELETE FROM IZMER WHERE DATE=01/05/2006; удалит все записи за 1 мая 2006 года. Изменение записей производится командой UPDATE: UPDATE SENSORS SET FIRMA=’Теплоприбор’, MARKA=’ТХА-0515’ WHERE TIP=’TE’; заменит все датчики температуры на термопары ТХА-0515 фирмы «Теплоприбор». Создание новой таблицы CREATE TABLE SENSORS (N_SENS INTEGER, TIP CHAR(5), MARKA CHAR(20), GOD_UST INTEGER, N_OBJ INTEGER); создает пустую таблицу SENSORS с указанными полями. После каждого имени поля указан тип хранимых в нем данных. Изменение структуры таблицы: ALTER TABLE SENSORS ADD REMNT INTEGER; добавление поля REMNT в таблицу SENSORS. 3.4 Методология IDEF 3.4.1 Модели систем Методология IDEF используется преимущественно на верхних уровнях управления в качестве универсального средства для описания выполняемых какой-либо системой функций, структуры обрабатываемой и хранимой информации, а также для анализа динамических свойств данной системы управления . Согласно методологии, модель системы может быть представлена в виде совокупности трех моделей: - функциональной, - информационной, - динамической. При этом под системой подразумевается как система взаимодействий между приборами, механизмами, технологическими объектами и т.д., так и между людьми в процессе достижения ими определенной цели. Функциональная модель строится по т.н. методологии IDEF0, более известной как SADT (Structure Analysis and Design Technique). Она дает представления о том, какие функции выполняются (должны выполняться) в рассматриваемой системе, что является исходными данными для них, какой результат выполнения каждой функции, а также каковы причинно-следственные связи между ними. Информационная модель соответствует методологии IDEF1X, описывает структуру используемой в системе информации и по сути является моделью реляционной базы данных. Методология IDEF1X фактически является стандартом для проектирования СУБД. Динамическая модель формируется путем преобразования функциональной модели в вид раскрашенных сетей Петри. Используемая методология носит название IDEF/CPN (Colored Petri Nets). Сети Петри предназначены для моделирования динамики дискретных систем и обеспечены мощными средствами для определения их динамических свойств. Анализ систем на сетях Петри позволяет сделать определенные выводы по оптимизации структур моделируемых систем. 3.4.2 Методика построения функциональной модели Методология IDEF0 (более известная как методология SADT-Structure Analysis and Design Technique) предназначена для представления функций системы и анализа требований к системам и является одной из самых известных и широко используемых методологий проектирования АСУ . В терминах IDEF0 система представляется в виде комбинации блоков и дуг. Блоки используются для представления функций системы и сопровождаются текстами на естественном языке. Дуги представляют множества объектов (как физических, так и информационных) или действия, которые образуют связи между функциональными блоками. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Поскольку блоки символизируют действия, то они, как правило, подписываются глаголами или их формами. Дуги же подписываются существительными. Рисунок 13 – Функциональный блок Управляющие выполнением функции данные входят в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается воздействию функции, показана с левой стороны блока; результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет функцию, представляется дугой, входящей в блок снизу (рисунок 13). В основе методологии IDEF0 лежат следующие правила: 1 Функциональный блок (или Функция) преобразует Входы в Выходы (т.е. входную информацию в выходную), управление определяет, когда и как это преобразование может или должно произойти, исполнители непосредственно осуществляют это преобразование. 2 С дугами связаны надписи (или метки) на естественном языке (как правило, в виде имен существительных), описывающие данные, которые они представляют. 3 Дуги показывают, как функции между собой взаимосвязаны, как они обмениваются данными и осуществляют управление друг другом. 4 Выходы одной функции могут быть Входами, Управлением или Исполнителями для другой. 5 Дуги могут разветвляться и соединяться. 6 Функциональный блок, который представляет систему в качестве единого модуля, детализируется на другой диаграмме с помощью нескольких блоков, соединенных между собой интерфейсными дугами. 7 Эти блоки представляют основные подфункции (подмодули) единого исходного модуля. 8 Данная декомпозиция выявляет полный набор подмодулей, каждый из которых представлен как блок, границы которого определены интерфейсными дугами. 9 Каждый из этих подмодулей может быть декомпозирован подобным же образом для более детального представления. 3.4.3 Методика построения информационной модели Важнейшая цель информационной модели заключается в выработке непротиворчивой интерпретации данных и взаимодействий между ними с тем, что необходимо для интеграции, совместного использования и управления целостностью данных. Появление понятий концептуальной схемы данных привело к методологии семантического моделирования данных, т.е. к определению значений данных в контексте их взаимосвязей с другими данными. Методология IDEF1X - один из подходов к семантическому моделированию данных, основанный на концепции "Сущность - Отношение" (Entity-Relationship ), это инструмент для анализа информационной структуры систем различной природы. Информационная модель, построенная с помощью IDEF1X-методологии, представляет логическую структуру информации об объектах системы. Эта информация является необходимым дополнением функциональной IDEF0-модели, детализирует объекты, которыми манипулируют функции системы. Концептуально IDEF1X-модель можно рассматривать как проект логической схемы базы данных для проектируемой системы. Основными объектами информационной модели являются сущности и отношения. Сущность представляет множество реальных или абстрактных предметов (людей, объектов, мест, событий, состояний, идей, пар предметов и т.д.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Отдельный элемент этого множества называется "экземпляром сущности". Сущность изображается в виде прямоугольного блока, внутри которого перечислены ее атрибуты. Сущность обладает одним или несколькими атрибутами. Правила атрибутов: 1 Каждый атрибут должен иметь уникальное имя, одному и тому же имени должно соответствовать одно и то же значение. Одно и то же значение не может соответствовать различным именам. 2 Сущность может обладать любым количеством атрибутов. Каждый атрибут принадлежит в точности одной сущности. 3 Сущность может обладать любым количеством наследуемых атрибутов, но наследуемый атрибут должен быть частью первичного ключа соответствующей сущности-родителя или общей сущности. 4 Для каждого экземпляра сущности должно существовать значение каждого его атрибута (правило необращения в нуль). 5 Ни один из экземпляров сущности не может обладать более чем одним значением для связанного с ней атрибута (правило неповторения). Первичный ключ – это атрибут или группа атрибутов, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. Зная значения первичного ключа, всегда можно определить конкретный экземпляр сущности. Каждая сущность может обладать любым количеством отношений с другими сущностями. Сущность является "независимой", если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его отношений с другими сущностями. Пример независимой сущности приведен на рисунке 14. Сущность OBJECTS имеет четыре атрибута: N_OBJ (номер объекта), TIP (тип объекта), NAIM (наименование), GOD (год постройки). Первичным ключом сущности является атрибут N_OBJ, который отделен от остальных атрибутов чертой. OBJECTS N_OBJ TIP NAIM GOD Рисунок 14 – Пример независимой сущности Сущность называется "зависимой", если однозначная идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения к другой сущности. Пример зависимой сущности приведен на рисунке 15. Здесь сущность IZMER (измерение) зависит от сущности SENSORS (датчики), поскольку записи об измерениях содержат информацию о том, какой датчик произвел данное измерение. Сущность SENSORS – родительская сущность, IZMER – потомок. Зависимость отражена наличием в числе атрибутов сущности IZMER первичного ключа родительской сущности N_SENS. SENSORS N_SENS TIP FIRMA MARKA GOD_UST N_OBJ IZMER производят N_SENS (FK) DATE TIME MEAN Рисунок 15 – Идентифицирующее отношение Сущность обладает одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через отношение. Если внешний ключ целиком используется в качестве первичного ключа сущности или его части, то сущность является зависимой от идентификатора. И наоборот, если используется только часть внешнего ключа или вообще не используются внешние ключи, то сущность является независимой от идентификатора. Отношение связи, называемое также "отношение родитель-потомок", - это связь между сущностями, при которой каждый экземпляр одной сущности, называемой родительской сущностью, при которой каждый экземпляр одной сущности, называемой родительской сущностью, ассоциирован с произвольным (в том числе нулевым) количеством экземпляров другой сущности, называемой сущностью-потомком, а каждый экземпляр сущности-потомка ассоциирован в точности с одним экземпляром сущности-родителя. Если экземпляр сущности-потомка однозначно определяется своей связью с сущностью-родителем, то отношение называется идентифицирующим отношением. В противном случае отношение называется неидентифицирующим. Пример неидентифицирующего отношения приведен на рисунке 16. OBJECTS N_OBJ TIP NAIM GOD содержат SENSORS N_SENS TIP FIRMA MARKA GOD_UST N_OBJ (FK) Рисунок 16 – Неидентифицирующее отношение Отношение связи изображается линией, проводимой между сущностью-родителем и сущностью-потомком с точкой на конце линии у сущности-потомка. Идентифицирующее отношение изображается сплошной линией (см. рисунок 15), пунктирная линия изображает неидентифицирующее отношение (см. рисунок 16). Отношению дается имя, выражаемое грамматическим оборотом глагола. Имя отношения всегда формируется с точки зрения родителя, так что может быть образовано предложение, если соединить имя сущности-родителя, имя отношения, выражение мощности и имя сущности-потомка. Отношение дополнительно определяется с помощью указания мощности: какое количество экземпляров сущности-потомка может существовать для сущности-родителя. Так как некоторые реально существующие объекты являются категориями других реально существующих объектов, то некоторые сущности должны, в некотором смысле, быть категориями других сущностей. 4. Программные системы управления производством МRР - это общепринятая идеология, технология и организация управления промышленными предприятиями . Следует различать системы MRP и MRP II. MRP (Material Requirements Planning) – система автоматизированного планирования потребности в сырье и материалах для производства, реализующая идею единой модели данных в масштабе всего производства. Основная цель: минимизация издержек, связанных со складскими запасами. MRP II-системы (Manufacturing Resource Planning) способны планировать все производственные ресурсы предприятия: сырье, оборудование с его реальной производительностью, трудозатраты и т.д. ERP представляет собой корпоративную надстройку над MRP II. Различие между MRP II и ERP-системами в том, что первые ориентированы на производство, в то время как вторые – на бизнес. Например, условия кредитования заказчика по отгрузке готовой продукции попадают в поле зрения ERP, но не MRP II. С одной стороны, MRP II - основа ERP, с другой - почти все западные системы (и все присутствующие в России) реализуют как методы МRР II, так и методы ЕRР. Стандарты MRР II во главу угла ставят управление производством, прежде всего, серийного типа. Если в комплексной системе отсутствует внятная идеология управления производством, то эта система по определению не может быть MRP II системой. Такие системы логичнее назвать полукомплексными или недокомплесными (полуКИСами или недоКИСами), В системе класса MRP II должны четко выделяться три базовых блока: • Формирование основного плана на основе заказов клиентов и прогноза спроса. Этот организационно-алгоритмический процесс включает процедуру быстрой проверки выполнимости плана по ресурсам, так называемое «приблизительное планирование мощности – Rough Cut Capacity Planning. • Планирование потребностей, то есть формирование плана-графика изготовления партий изделий собственного производства и плана-графика закупки материалов и комплектующих. При этом работают вполне определенные алгоритмы расчета размеров заказов и дат запуска заказов на основе сетевых моделей. На этом этапе выполняется также расчет загрузки ресурсов или балансировка плана-графика по ресурсам - процедура «планирование мощности –Capacity Planning. • Оперативное управление. Процедуры проверки укомплектованности и запуска заказов, управление ходом производства через механизмы производственных циклов, приоритетов, размеров заказов. Учет выполнения операций и заказов. Складской учет. Системы класса МRР II должны планировать деятельность служб сбыта, снабжения и производства как сквозной график взаимосвязанных заказов. Системы класса MRP II должны включать средства бюджетирования и развитую систему управленческого учета, они должны содержать систему бухгалтерского учета или иметь интерфейс с такой системой, работающей в западных (GААР, IAS) стандартах бухгалтерского учета и отчетности. Системы класса МRР II должны включать средства, позволяющие смоделировать весь ход производства при данном варианте основного плана, чтобы увидеть возможные будущие проблемы и узкие места. Наконец, системы класса MRP II должны поддерживать методы Just-In-Time. Если КИС отвечает этим базовым признакам, то это, скорее всего, нормальная система класса МRР II и ее можно рассматривать более детально. В ERP делается упор на управление корпоративной структурой, то есть компанией, которая имеет производственные и сбытовые подразделения по всему миру, использует международную сеть поставщиков комплектующих и услуг, реализует продукцию в международном масштабе и использует различные критерии, в том числе с учетом национальных особенностей, для оценки своей деятельности. ЕRР может также управлять поставщиками и дилерами и позволять потребителям вводить заказы напрямую в систему. Назначение систем ERP – автоматизация внутренней деятельности предприятия (т.н. backoffice). Существуют также специализированные системы управления внешней деятельностью, к числу которых относятся CRM, SCM и CSRP-системы. CRM (Customer Relations Management) – управление отношениями с заказчиками. SCM (Supply Chain Management) – управление отношениями с поставщиками. CSRP (Customer Synchronized Resource Planning) – планирование ресурсов, синхронизированное с потребителем. Сущность этой системы, предложенной фирмой SYMIX, состоит в том, что при планировании и управлении организацией можно и нужно учитывать не только основные производственные и материальные ресурсы предприятия, но и все ресурсы, которые обычно рассматриваются как «вспомогательные» или «накладные». К их числу относятся ресурсы, охватывающие проектирование будущего изделия с учетом требований заказчика, гарантийное и сервисное обслуживание и т.д., т.е. те ресурсы, которые могут определять конкурентоспособность предприятия в отраслях, где требуется оперативно реагировать на изменение желаний потребителя. Сегодня на мировом рынке предлагается свыше 500 систем класса МRР II - ERP. Рынок бурно растет - на 35 - 40% каждый год.. При выборе системы управления прежде всего необходимо обращать внимание на следующие аспекты. • Репутация фирмы, репутация системы, стаж пребывания фирмы на рынке, число продаж. • Терминология и качество системы. Документация и НЕLР должны быть полными, ясными и понятными. • Качество локализации западной системы. • Разумная цена. Покупая систему, на весь цикл (покупка, внедрение, сопровождение, развитие) придется затратить в 3 -10 раз больше денег, чем стоимость программных средств. Чем сложнее и дороже система, тем больше коэффициент. • Функциональная полнота. Система должна покрывать основные потребности в управлении. Практически все западные системы сильно избыточны в этом отношении, но на уровне базовых возможностей. • Модульность. • Гибкость. Система управления должна меняться вместе с производством. Поэтому система должна позволять легко менять АРМы и меню, формировать отчеты и справки, делать произвольные выборки информации в удобном представлении, менять бизнес процессы и алгоритмы путем параметрической настройки и так далее. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. 2. http://www.citect.ru/ 3. http://www.adastra.ru/ 4. http://tornado.nsk.ru/catalog/scada_intouch.shtm 5. http://www.indusoft.ru/intellution/teach_104.html 6. http://www.abb.ee/ProductGuide/ 7. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть// СТА. -1996. № 1. –С. 32 – 35. 8. Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественных проектах// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90. 9. Христенсен Д. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC IEC 1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25. 10. Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация. -Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Энергия, 1977. -424 с. 11. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. –СПб.: Невский диалект, 2001. -557 с. 12. Справочник проектировщика АСУ ТП/ Г.Л. Смилянский, Л.З. Амлинский, В.Я. Баранов и др.; Под ред. Г.Л. Смилянского. -М.: Машиностроение, 1983. -527 с. 13. Любашин А.Н. Промышленные сети// Мир компьютерной автоматизации. - 1999. № 1. –С. 38 – 44. (http://www.mka.ru/?p=41313.) 14. Жданов А.А. Современный взгляд на ОС реального времени // Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 1. -С. 54 - 60. 15. Золотарев С.В. Системы SCADA в среде ОС QNX // Мир ПК. – 1996. - № 4. -С. 114. 16. Кунцевич Н.А. SCADA-системы и муки выбора // Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 1. - С. 72 - 78. 17. Соболев В.С. Программное обеспечение современных систем сбора и обработки измерительной информации.// Приборы и системы управления. - 1998. - № 1. -С. 55. 18. Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-системы)// Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 3. -С. 4-9. 19. SCADA-продукты на российском рынке// Мир компьютерной автоматизации. 1999. - № 3. -С. 25-33. 20. ISaGRAF. Версия 2.10. Часть 1. Руководство пользователя. -CJ International// Перевод Е.А. Поповой.-М.: АО «RTSoft», 1995. 21. ISaGRAF. Версия 2.10. Часть 2. Руководство по языкам программирования. -CJ International// Перевод Е.А. Поповой.-М.: АО «RTSoft», 1995. 22. Инструментальная система программирования логических контроллеров ISaGRAF: Учеб. пособие. Издание второе, перераб. и дополн/ М.А. Шамашов. Самара: Самарский муниципальный комплекс непрерывного образования «Университет Наяновой», 1997. - 118 с. 23. Шакиров С. ULTRALOGIC-система подготовки программ для промышленных контроллеров// СТА. -1997. -№ 3.-С. 96-102. 24. Любашин А.Н. Что такое ISaGRAF? // МКА. -1995. -№ 2. -С. 31-36. 25. Шмелев Г.С., Ашкалиев Э.Я., Ляпин А.В. Опыт реализации стандарта МЭК 1131-3 (ISaGRAF) в среде операционной системы реального времени// Приборы и системы управления. -1997. - № 4.-С. 8 - 10. 26. Мазур Л.Е. Система управления предприятием// ComputerWorld – Казань. – 1999. № 5. – С. 30 – 34. 27. Золотарев С.В., Кабанов П.Н. QNX-контроллеры и средства их поддержки//Мир ПК. -1998. - № 9. 28. Цельтвангер Х. Взгляд изнутри на основы CAN// http://www.mka.ru/?p=40568. 29. . Синк П. Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethetrnet// http://www.mka.ru/?p=42499. 30. . Рыбаков А.Н., Зеленова Т.И. Локальная шина РСI: обзор// http://www.mka.ru/?p=40432. 31. Эйзенбарт В. Промышленные шины для систем автоматизации// http://www.mka.ru/?p=40169. 32. Тиммерман М. Руководство по выбору подходящей шины// http://www.mka.ru/?p=40233. 33. Иванов П. Средства коммуникации промышленного применения нижнего уровня иерархии// http://www.mka.ru/?p=40517. 34. Рыбаков А.Н. Шина PCI в специальных приложениях: мифы и реальность. Полемические заметки// http://www.mka.ru/?p=41226. 35. K. Crater. When Technology Standards Become Counterproductive, Control Technology Corporation, 1996// http://www.control.com/tutorials/language/ counter.htm. 36. "Perspectives on the Future of Automation Control. The Direction of Automation Systems", Rockwell International Corporation, 1997// http://www.ab.com/ events/choices/direct1.html. 37. Кирюшин О.В. Управление техническими системами: курс лекций. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. – 116 с.
