Применение SCADA систем в токарном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общее описание автоматического процесса токарной обработки

1.1 Обоснование применения автоматического управления точением

1.2 Автоматическая стабилизация режимов точения и точности обработки

2. Перспективы и опыт внедрения SCADA систем в технологических процессах металлообработки и машиностроения

3. Обоснование выбора SCADA системы

3.1 Обзор рынка современных SCADA систем

3.2 SCADA-система InTouch

3.3 Технические характеристики

3.4 Эксплуатационные характеристики

3.5 Основные задачи, решаемые с помощью InTouch

3.6 Графические средства InTouch

3.7 Объекты и их свойства

3.8 Поддерживаемые коммуникационные протоколы

3.9 Обмен данными в InTouch

4. Структурная схема SCADA системы InTouch в процессе токарной обработки деталей

5. Алгоритм работы SCADA системы по обработке данных с ВШВ-003

Заключение

Литература

Введение

Технический прогресс - неотъемлемый процесс нашего развивающегося общества, появление новых технологий ведёт к появлению новых машин, оборудования, используемого в промышленности которые облегчают жизнь человека, но в тоже время не стоит забывать и о безопасности использования такого рода технологий. Для обеспечения безопасности на промышленных объектах лучше всего подходит комплекс SCADA систем, который включает в себя множества средств для осуществления безопасности жизнедеятельности человека. Промышленная безопасность - состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий, также это область, где действуют четко установленные нормы и правила, соответствие характеристик объекта которым подтверждает экспертиза промышленной безопасности.

SCADA (аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) -- данное понятие обычно применяется к системе управления в промышленности: система контроля и управления процессом с применением ЭВМ. Процесс может быть технологическим, инфраструктурным или обслуживающим:

Технологические процессы включают -- производство, выработку энергии, конструирование, переработка. Может протекать в непрерывном, пакетном, периодическом или дискретном режимах. Инфраструктурные процессы могут быть общественными либо частными, и включают: обработку и распределение воды, сбор и обработку сточных вод, нефте- и газопроводы, передачу и распределение электроэнергии, системы оповещения для гражданской обороны, и большие системы связи. Процессы в сфере обслуживания имеют как частную так и общественную стороны -- здания, аэропорты, корабли и космические станции. Они контролируют и управляют HVAC, доступом и потреблением энергии. SCADA--система обычно содержит следующие подсистемы: Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) -- инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Диспетчерская система -- собирает данные о процессе и отправляет команды процессу (управление).

Абонентский оконечный блок, либо УСО (RTU, англ. Remote Terminal Unit), подсоединяемый к датчикам процесса. Преобразует сигнал с датчика в

цифровой код и отправляет данные в диспетчерскую систему. Также распространено сохранение дополнительных метаданных с тэгами, такими

как путь до полевого устройства или регистра PLC, комментарии во время разработки, и сигнальная информация. SCADA-системы решают ряд задач: автоматический металлообработка токарный scada

Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы. Обработка информации в реальном времени. Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме. Ведение базы данных реального времени с технологической информацией. Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями. Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса. Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES. SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределенной архитектуре. Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogіс. WebSCADA: Под термином WebSCADA, как правило, понимается реализация человеко-машинного интерфейса.

1. Общее описание автоматического процесса токарной обработки

1.1 Обоснование применения автоматического управления точением

Отечественным машиностроением накоплен значительный опыт по разработке и использованию систем автоматического управления токарными станками. Этот опыт убедительно говорит о целесообразности и высокой технико-экономической эффективности применения автоматизированных систем управления абразивной обработкой, особенно в массовом и крупносерийном производствах. Например, применение аналоговых систем программного управления рабочими циклами поперечной подачи на внутрирасточных станках повышает производительности обработки на 20-50% и более при одновременной стабилизации качественных показателей. Системы автоматической стабилизации и программного управления упругими перемещениями системы станок - приспособление - инструмент - деталь позволяют в 2-3 раза повысить точность обработки деталей на токарных станках при одной и той же интенсивности съема металла.

В большинстве случаев повышение производительности и точности обработки деталей за счет использования автоматизированных систем управления достигается при сравнительно небольших дополнительных затратах на автоматизацию, обычно не превышающих 30% токарных станков.

1.2 Автоматическая стабилизация режимов точения и точности обработки

Под рабочими движениями станка понимаются движения резца и обрабатываемой детали в процессе ее точения. При сочетании рабочих движений режущая кромка резца перемещается по определенному закону относительно обрабатываемой детали, и вследствие этого придает ей требуемую точность, необходимую геометрическую форму, микрогеометрию и другие показатели качества обработки. Рабочие движения подразделяются на главные, вследствие которых происходит резание металла, и движение подачи, которые перемещают резец или обрабатываемую деталь для снятия нового слоя металла. Скорости главных приводов и приводов подачи непосредственно определяют как режимные, так и точностные характеристики процесса точения.

Любое отклонение скоростей рабочих движений токарного станка от заранее определенных значений под действием внутренних или внешних возмущающих воздействий приведет к соответствующему отклонению показателей качества обработки. Отсюда возникает необходимость автоматической стабилизации скоростей главных электро - и гидроприводов и приводов подачи, как один из путей стабилизации качественных показателей точения.

Стабилизации в токарном станке подвергаются следующие системы:

1. Система автоматической стабилизации скорости поперечной подачи.

Пусть суппорт поперечной подачи станка приводится в движение от электрического привода через механизм поперечной подачи типа ходовой винт - гайка с понижающим редуктором. Допустим, что коэффициент передачи МПП, определяется шагом ходового винта и коэффициентом передачи редуктора. Электрический привод состоит из приводного электродвигателя постоянного тока ЭД, управляемого преобразователя мощности УПМ, и усилителя сигнала электрического напряжения УО. Электродвигатель имеет отрицательную обратную связь по скорости с помощью тахогенератора ТГ (приложение 3). Т.е. электропривод поперечной подачи представляет собой замкнутую систему автоматической стабилизации скорости электродвигателя, построенную по принципу регулирования по отклонению.

- входное управляющее воздействие с микроконтроллера, с помощью которого устанавливаются различные уровни скоростей подачи. Так же на систему действуют два наиболее существенных возмущения. Одно из них - колебания момента сопротивления в механизме поперечной подачи станка, приводящие к изменению крутящего момента и силы тока в цепи якоря электродвигателя. Помехи нагрузки , т.е. сигнал от этого возмущающего воздействия, пропорционален силе тока якоря двигателя и эквивалентному сопротивлению якорной цепи двигателя и управляемого преобразователя мощности. Второе возмущающее воздействие - колебание напряжения в питающей сети.

Система стабилизации работает следующим образом. С контролера, в соответствии с режимом обработки, приходит программно заданный сигнал, несущий в себе информацию о скорости резания, оптимальной для данного режима резания. Этот сигнал усиливаясь посредством усилителя УО, поступает на управляемый преобразователь мощности (тиристорный преобразователь). После последнего электрический сигнал поступает на электродвигатель, преобразовывается в соответствующую частоту вращения вала электродвигателя. МПП преобразует вращательное движение вала электродвигателя в поступательное движение поперечной подачи. В процессе функционирования системы на нее действует комплекс возмущений, описанных выше. Данные помехи, изменяют скорость вращения электродвигателя. Что не допустимо для качественного изготовления деталей. Эти возмущающие воздействия снимаются с вращающегося вала электродвигателя, по средством ТГ и поступают совместно с сигналом с контролера, на сумматор, в котором формируется сигнал ошибки на выходе системы. Эта ошибка учитывается и система автоматически самостабилизируется.

- Система автоматической стабилизации скорости точения.

Стабилизация скорости резания повышает производительность токарных станков, а также позволяет улучшить качественные показатели деталей, обработанных на этих станках.

Для стабилизации скорости точения или, другими словами, для отработки алгоритма, необходимо по мере износа соответственно увеличивать по определённой зависимости линейную скорость шпинделя резца.

Функциональный преобразователь служит для формирования сигнала электрического напряжения, имитирующего гиперболическую функциональную зависимость между текущим диаметром шлифовального круга и угловой скоростью его вращения.

Остальные элементы системы нам известны. Поэтому сразу приступим к описанию работы схемы стабилизации. На вход системы с микроконтроллера поступает управляющий сигнал, характеризующий скорость резания, необходимую для данного технологического перехода процесса точения. Этот сигнал поступает в функциональный преобразователь, для преобразования сигнала износа резца в сигнал изменения скорости подачи резца. Данный сигнал усиливается усилителем У, поступает на управляемый преобразователь мощность, с которого поступает на электродвигатель, преобразующий сигнал напряжения в частоту вращения, которая посредством клиноременной передачи поступает на систему СПИД. Если происходит отклонение скорости, от заданной программно, из за наличия возмущающих воздействий, то это отклонение фиксируется датчиком ДДШК и поступает на вход системы, где формируется сигнал ошибки. Который, пройдя через систему, стабилизирует ее.

3. Система автоматической стабилизации сил резания.

Среди всех классов и функциональных разновидностей систем автоматического управления технологическими процессами точения наибольшее распространение получили системы автоматической стабилизации сил резания. Эти системы используются как для автоматического управления режимами точения по так называемым алгоритмам управления смешанного типа, так и для управления формообразованием деталей.

Обычно системы стабилизации силы резания отождествляются с системами стабилизации упругих деформаций. Это отождествление исходит из того, что в большинстве случае силы резания измеряют по величине упругих деформаций в каких-то звеньях кинематической цепи системы станок - приспособление - инструмент - деталь. Поэтому большинство из существующих датчиков для измерения сил ДУ состоят из первичного механического преобразователя ПМП, преобразующего силу F в соответствующее упругое перемещение и вторичного электромагнитного преобразователя ВЭМП, преобразующего упругое линейное в соответствующий ему сигнал электрического напряжения.

Данная система стабилизации работает аналогично предыдущим. Задающий сигнал о силе резания приходит с микроконтроллера, на автоматическое устройство управления с которого попадает в систему СПИД. Если сила резания не соответствует заданной для данной операции, то датчик обратной связи ДУ фиксирует это и подает на вход системы соответствующий сигнал, который, сравниваясь с сигналом с микроконтроллера, вырабатывает сигнал ошибки, компенсирующий погрешность в силе резания.

В токарных станках помимо перечисленных систем существует еще множество различных систем стабилизации, как крупных, так и мелких, но влияние каждой из них на процесс обработки в целом велико. Выделим еще несколько систем. Все они по структуре функционирования сходны выше перечисленным, поэтому не будем подробно останавливаться на вопросе их детального функционирования, а просто перечислим их.

- система автоматической стабилизации мощности, затрачиваемой на точение;

- система автоматической стабилизации крутящего момента;

- автоматическая стабилизация упругих деформаций системы станок - приспособление - инструмент - деталь;

2. Перспективы и опыт внедрения SCADA систем в технологических процессах металлообработки и машиностроения

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис.1.

Рис.1 Обобщенная схема системы контроля и управления.

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:

o сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

o управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

o решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Разработка, отладка и исполнение про-грамм управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения.

К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

o сбор данных с локальных контроллеров;

o обработка данных, включая масштабирование;

o поддержание единого времени в системе;

o синхронизация работы подсистем;

o организация архивов по выбранным параметрам;

o обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

o работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

o резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Существуют два типа управления удалёнными объектами в SCADA: автоматическое и инициируемое человеком.

Выделяют четыре основных функциональных компонента систем диспетчерского управления и сбора данных (см. рис.2) - человек оператор, компьютер взаимодействия с человеком, компьютер взаимодействия с задачей (объектом), задача (объект управления).

Рис. 2 Структурные основные компоненты SCADA-систем

Процесс SCADA применятся в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера). Оператор несёт, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности. Активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и др.) Действия оператора в критических ситуациях могут быть резко ограничены по времени.

Определяют пять функций человека-оператора в системе диспетчерского управления:

o оператор планирует, какие следующие действия необходимо выполнить;

o обучает (программирует) компьютерную систему на последующие действия;

o отслеживает результаты полуавтоматической и автоматической работы системы;

o вмешивается в процесс в случае критических событий, когда автоматика не сможет справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;

o обучается в процессе работы (получает опыт).

Данное представление SCADA является основой для разработки современных эффективных диспетчерских систем в технологических процессах металлообработки и машиностроения.

3. Обоснование выбора SCADA системы

3.1 Обзор рынка современных SCADA систем

Обычно системный интегратор или конечный пользователь, приступая к разработке прикладного программного обеспечения (ППО) для создания системы управления, выбирает один из следующих путей:

* программирование с использованием "традиционных" средств (традиционные языки программирования, стандартные средства отладки и пр.);

* использование существующих, готовых (COTS Commercial Off The Shelf) инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Безусловно, нет ничего лучше качественного, хорошо отлаженного ППО, написанного высококвалифицированным программистом специально для некоторого проекта. Но следующую задачу этот программист вынужден решать опять практически с нуля. Процесс создания ППО для сложных распределенных систем становится недопустимо длительным, а затраты на его разработку очень высокими. Сегодня, в условиях всё более возрастающей доли ППО в затратах на создание конечной системы и, соответственно, всё большей интенсификации труда программистов, вариант с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (не написан, например, подходящий драйвер) или они не устраивают по тем или иным причинам в принципе. В любом случае процесс разработки собственного ППО важно упростить, сократить временные и прямые финансовые затраты на разработку ППО, минимизировать затраты труда высококлассных программистов, по возможности привлекая к разработке специалистов в области автоматизируемых процессов.

Современный бизнес в области разработки ПО всё более и более сегментируется и специализируется. Причина проста ПО становится всё более сложным и дорогостоящим. Разработчики операционных систем, разработчики инструментальных средств, разработчики прикладного ПО и т.п., по существу, говорят на разных языках . Таким образом, сама логика развития современного бизнеса в части разработки ППО для конечных систем управления требует использования всё более развитых инструментальных средств типа SCADA-систем (от Supervisory Control And Data Acquisition). Разработка современной SCADA-системы требует больших вложений и выполняется в длительные сроки. И именно поэтому в большинстве случаев разработчикам управляющего ППО, в частности ППО для АСУ ТП, представляется целесообразным идти по второму пути, приобретая, осваивая и адаптируя какой-либо готовый, уже испытанный универсальный инструментарий.

Если такой подход для Вас очевиден или Вы его принимаете, то возникает вопрос выбора SCADA-системы. Ниже перечислены только некоторые из популярных на западном и российском рынках SCADA-систем, имеющих некоторую поддержку в России:

Рис. 3 Обзор SCADA систем

3.2 SCADA-система InTouch

SCADA-система InTouch насчитывает свыше 100 000 применений в мире в совершенно различных отраслях промышленности. В России, например, этот пакет имеет применения в металлургии (на разных стадиях от добычи руды, до вторичной переработки), машиностроении, пищевой промышленности и многих других. Входит в состав комплекса FactorySuite. Программный комплекс FactorySuite компании Wonderware предназначен для разработки систем автоматизации промышленных предприятий, охватывающих все уровни производства - от управления технологическими процессами до управления производством. Система FactorySuite состоит из следующих основных, тесно интегрирующихся друг с другом компонентов:

- InTouch - SCADA-система для визуализации и управления технологическими процессами.

- IndustrialSQL Server - реляционная СУБД реального времени для внутризаводского применения.

- InControl - пакет для управления контроллерным оборудованием.

- Scout - средство мониторинга через Internet/Intranet-сети.

- InTrack - система управления производством.

- InBatch - система управления процессами дозирования и смешивания.

- InTouch - широко известная и распространенная SCADA-система. Одной из многих причин широкой популярности данной системы является удачная реализация человеко-машинного интерфейса (HMI - human machine interface) и его эффективность в отношении функциональность/цена. HMI позволяет контролировать и управлять всеми объектами и системами, используя графические объекты.

InTouch.

InTouch - это приложение-генератор человеко-машинного интерфейса (HMI) для систем SCADA и других систем автоматизации производства. InTouch дает возможность пользователям создавать операторские интерфейсы под Windows, которые тесно взаимодействует с другими компонентами программного обеспечения фирмы Wonderware, например FactorySuite (интегрированный пакет программного обеспечения для полной автоматизации производства) и стандартными приложениями Microsoft Office. Это седьмое поколение программных продуктов фирмы Wonderware, лидирующей в своей отрасли и являющейся пионером в использовании Windows для автоматизации производства. InTouch это программный пакет для быстрой и эффективной разработки и внедрения систем управления производственным процессом.

Область применения InTouch.

Wonderware InTouch - это приложение-генератор графического операторского интерфейса (HMI) для систем SCADA и других систем автоматизации производства. InTouch позволяет пользователям создавать операторские интерфейсы под Windows, которые тесно взаимодействует с другими компонентами Factory Suite.

Приложения InTouch.

Более 200 000 тысяч пакетов InTouch работают и показывают впечатляющие результаты по всему миру. Отзывы пользователей, имеющих многолетний опыт использования пакета, свидетельствует о снижении стоимости проектирования и поддержки систем управления при повышении качественных и количественных показателей производства.

Дополнительные модули Статистического Контроля Процессов (SPC), Управления рецептами (Recipe) и Структурированного Языка Запросов (SQL) помогают пользователям удовлетворить разнообразные потребности в производственной отчетности. Версия 7.0 поддерживает установку корпорации Wonderware на то, что приложения InTouch будут всегда работать на будущих версиях программ, - этим защищаются Ваши затраты времени и денег.

Приложения, созданные с помощью Wonderware InTouch, успешно используются в энергетике и автомобилестроении, добыче и переработке нефти и газа, производстве продуктов питания и полупроводников, в химической, фармацевтической и целлюлозно-бумажной промышленности. Пакет InTouch обеспечивает слежение за транспортными потоками по туннелю под Ла-Маншем и за экспериментами NASA на борту космического челнока. В Венесуэле InTouch был выбран для создания операторского интерфейса на самом большом в мире предприятии по производству стекла. Eastman Kodak использует InTouch для слежения за упаковкой рентгеновских пленок в своем отделении Dental Finishing. Нефтяная компания Chevron выбрала InTouch в качестве унифицированной программной базы систем SCADA для своих предприятий по всему миру. InTouch используется в управлении добычей металлов и ферментацией зерна в Южной Африке, в производстве витамина C в Китае, грузовиков, сельскохозяйственного оборудования и автомобилей в США, Швеции и Германии и переработке и добыче нефти в России.

Свойства и преимущества.

Wonderware InTouch для FactorySuite поможет сохранить время и деньги, обеспечив гибким, легким в использовании средством разработки для создания распределенных приложений с операторским интерфейсом для пользователя в среде Microsoft Windows. Wonderware InTouch предлагает расширенный набор готовых Мастер-объектов с индустриальной графикой, которые позволяют разработчику создавать сложные и мощные экраны операторского интерфейса быстро и легко. InTouch также имеет мощный язык сценариев.

3.3 Технические характеристики

Программно-аппаратные платформы для SCADA-систем. Анализ перечня таких платформ необходим, поскольку от него зависит ответ на вопрос, возможна ли реализация той или иной SCADA-системы на имеющихся вычислительных средствах, а также оценка стоимости эксплуатации системы (будучи разработанной в одной операционной среде, прикладная программа может быть выполнена в любой другой, которую поддерживает выбранный SCADA-пакет). В различных SCADA-системах этот вопрос решен по разному. Так, InTouch имеет весьма широкий список поддерживаемых программно-аппаратных платформ:

Операционная система	Компьютерная платформа
DOS/MS Windows	IBM PC
OS/2	IBM PC
SCO UNIX	IBM PC
VMS	VAX
AIX	RS6000
HP-UX	HP 9000
MS Windows/NT	Системы с реализованным Windows/NT, в основном на РС-платформе.

В то же время в таких SCADA-системах, как RealFlex и Sitex основу программной платформы принципиально составляет единственная операционная система реального времени QNX.

Подавляющее большинство SCADA-систем реализовано на MS Windows платформах. Именно такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые MMI - средства. Учитывая позиции Microsoft на рынке операционных систем (ОС), следует отметить, что даже разработчики многоплатформных SCADA-систем, такие как United States DATA Co (разработчик FactoryLink), приоритетным считают дальнейшее развитие своих SCADA-систем на платформе Windows NT. Некоторые фирмы, до сих пор поддерживавшие SCADA-системы на базе операционных систем реального времени (ОСРВ), начали менять ориентацию, выбирая системы на платформе Windows NT. Все более очевидным становится применение ОСРВ, в основном, во встраиваемых системах, где они действительно хороши. Таким образом, основным полем, где сегодня разворачиваются главные события глобального рынка SCADA--систем, стала MS Windows NT/2000 на фоне всё ускоряющегося сворачивания активности в области MS DOS, MS Windows 3.xx/95.

Имеющиеся средства сетевой поддержки.

Одной из основных черт современного мира систем автоматизации является их высокая степень интеграции. В любой из них могут быть задействованы объекты управления, исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и т.д. Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ARCNET, ETHERNET и т.д.) с использованием стандартных протоколов (NETBIOS, TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (PROFIBUS, CANBUS, LON, MODBUS и т.д.) Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все рассматриваемые SCADA-системы, с тем только различием, что набор поддерживаемых сетевых интерфейсов, конечно же, разный.

Встроенные командные языки.

Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня, VBasic-подобные языки, позволяющие генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной, с выполнением некоторого логического условия, с нажатием комбинации клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна.

Поддерживаемые базы данных.

Одной из основных задач систем диспетчерского контроля и управления является обработка информации: сбор, оперативный анализ, хранение, сжатие, пересылка и т. д. Таким образом, в рамках создаваемой системы должна функционировать база данных.

Практически все SCADA-системы, в частности, Genesis, InTouch, Citect, используют ANSI SQL синтаксис, который является независимым от типа базы данных. Таким образом, приложения виртуально изолированы, что позволяет менять базу данных без серьезного изменения самой прикладной задачи, создавать независимые программы для анализа информации, использовать уже наработанное программное обеспечение, ориентированное на обработку данных.

Графические возможности.

Для специалиста-разработчика системы автоматизации, также как и для специалиста - "технолога", чье рабочее место создается, очень важен графический пользовательский интерфейс. Функционально графические интерфейсы SCADA-систем весьма похожи. В каждой из них существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации.

Крайне важен также вопрос о поддержке в рассматриваемых системах стандартных функций GUI (Graphic Users Interface). Поскольку большинство рассматриваемых SCADA-систем работают под управлением Windows, это и определяет тип используемого GUI.

3.4 Эксплуатационные характеристики

Показатели этой группы критериев наиболее субъективны. Это тот самый случай, когда лучше один раз увидеть, чем семь раз услышать. К этой группе можно отнести:

· удобство интерфейса среды разработки - "Windows - подобный интерфейс", полнота инструментария и функций системы;

· качество документации - ее полнота, уровень русификации;

· поддержка со стороны создателей - количество инсталляций, дилерская сеть, обучение, условия обновления версий и т. д.

Если предположить, что пользователь справился и с этой задачей - остановил свой выбор на конкретной SCADA - системе, то далее начинается разработка системы контроля и управления, которая включает следующие этапы:

· Разработка архитектуры системы автоматизации в целом. На этом этапе определяется функциональное назначение каждого узла системы автоматизации.

· Решение вопросов, связанных с возможной поддержкой распределенной архитектуры, необходимостью введения узлов с "горячим резервированием" и т.п.

· Создание прикладной системы управления для каждого узла. На этом этапе специалист в области автоматизируемых процессов наполняет узлы архитектуры алгоритмами, совокупность которых позволяет решать задачи автоматизации.

· Приведение в соответствие параметров прикладной системы с информацией, которой обмениваются устройства нижнего уровня (например, программируемые логические контроллеры - ПЛК) с внешним миром (датчики технологических параметров, исполнительные устройства и др.)

· Отладка созданной прикладной программы в режиме эмуляции. В последующих главах на примере двух известных и хорошо зарекомендовавших себя SCADA-систем (InTouch и Citect) рассмотрены основные компоненты, функции и возможности систем диспетчерского управления и сбора данных.

3.5 Основные задачи, решаемые с помощью InTouch

Сбор сигналов (определяющих состояние производственного процесса в текущий момент времени - температура, давление, положение и т.д.) с промышленной аппаратуры (контроллеры, датчики и т.д.). Графическое отображение собранных данных на экране компьютера в удобной для оператора форме ( на мнемосхемах, индикаторах, сигнальных элементах, в виде текстовых сообщений и т.д.).

Автоматический контроль за состоянием контролируемых параметров и генерация сигналов тревоги и выдача сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона. Разработка и выполнение (автоматическое или по команде оператора) алгоритмов управления производственным процессом. Сложность алгоритмов не ограничена и может представлять собой любую комбинацию из математических, логических и других операций.

Контроль за действиями оператора путем регистрации его в системе с помощью имени и пароля, и назначения ему определенных прав доступа, ограничивающих возможности оператора ( если это необходимо) по управлению производственным процессом.

Вывод (автоматически или по команде оператора) управляющих воздействий в промышленные контроллеры и исполнительные механизмы для регулировки непрерывных или дискретных процессов, а также подача сообщений персоналу на информационное табло и пр.

Автоматическое ведение журнала событий в котором регистрируется изменение производственных параметров с возможностью просмотра в графическом виде записанных данных а также ведение журнала аварийных сообщений. Соблюдение регламента производственного процесса путем динамической загрузки (автоматически или по команде оператора) набора параметров из заготовленных шаблонов (рецептур) в технологическое оборудование.

Контроль за качеством выпускаемой продукции путем статистической обработки регистрируемых параметров.

Генерация отчетов и оперативных сводок.

Программный пакет InTouch состоит из двух основных компонентов - среды разработки и среды исполнения. В среде разработки создаются мнемосхемы, определяются и привязываются к аппаратным средствам входные и выходные сигналы и параметры, разрабатываются алгоритмы управления и назначаются права операторов. Созданное таким образом приложение функционирует в среде исполнения. Такое разграничение позволяет предотвратить несанкционированное изменение приложения, не определенное логикой его работы. Для того, чтобы приложение могло обмениваться данными с аппаратурой, необходимо использование третьего компонента - отдельной программы, называемой сервером ввода-вывода. Как правило, сервер ввода-вывода ориентирован на использование с конкретным видом оборудования, таким как промышленные контроллеры. Вместе с тем, используются также сервера ввода-вывода, рассчитанные на обмен данными согласно определенным промышленным стандартам, и которые могут работать со всеми контроллерами удовлетворяющими этому стандарту (например Modbus, ProfiBus, DeviceNet и др.).

Основные отличия пакета InTouch по сравнению с другими программными продуктами.

Надежность и устойчивость в работе - 9 лет разработки и эксплуатации более чем 200 000 установленных систем на промышленных объектах.

Простота использования и неограниченные возможности для разработчика (любое число мнемосхем, неограниченная сложность алгоритмов и пр.).

Использование стандартных протоколов обмена данными (DDE, OPC, TCP/IP и др.).

Высокая скорость работы благодаря механизму, динамически регулирующему скорость опроса входных сигналов ( опрос происходит только при изменении значения контролируемого параметра).

Архитектура клиент-сервер для эффективной работы в сети. База данных ведется только на сервере, нет необходимости копировать ее на клиентские станции. Открытость - можно добавлять и использовать готовые компоненты других фирм вследствие поддержки технологий ActiveX и OPC.

Интеграция с другими программными пакетами фирмы Wonderware и простой обмен данными с популярными программными пакетами для Windows - Microsoft Excel, Microsoft Access, Microsoft Visual Basic и др.

Самое большое число готовых серверов ввода-вывода - более 600.

Возможность создания библиотек алгоритмов.

Истинно многозадачный режим функционирования (многопоточное выполнение пользовательских алгоритмов).

Возможность работы с более чем 120000 сигналов и параметров (тэгов).

Автоматический контроль качества сигналов, поступающих с датчиков и контроллеров.

Работа как сервис Windows NT - функционирование программы не нарушается процессом регистрации пользователя в операционной системе.

Средства сетевой разработки - обновление приложений на рабочих станциях происходит автоматически путем копирования изменений со станции разработки.

Распределенная система отслеживания и регистрации аварийных ситуаций одновременно поддерживает множество серверов (провайдеров) аварийных ситуаций, что дает возможность операторам видеть информацию об авариях во многих удаленных местах синхронно.

Какие преимущества дает использование InTouch:

Повышение эффективности работы производства. Сюда можно отнести как увеличение объема выпуска продукции, повышения качества, производственной дисциплины, так и косвенные расходы - сокращение стоимости обучения персонала, автоматическая генерация отчетов для руководящего состава, упрощение процедур планирования и расчета технико-экономических показателей. Среднее повышение экономической эффективности составляет от 30 до 70%.

Малые сроки внедрения благодаря простоте освоения и использования средств разработки. Простота технического сопровождения (исчерпывающая документация, программы специальной поддержки, стандартные курсы обучения).

Гарантированное сопряжение с любыми аппаратными средствами, имеющимися на предприятии, благодаря большому числу имеющихся серверов ввода-вывода (более 600), использованию стандартных протоколов обмена и наличию средств разработки собственных драйверов. Ориентация на перспективные и популярные компьютерные стандарты и платформы ( Windows NT, DCOM, OPC, ActiveX и др.).

В InTouch включены модули по работе с рецептами (регламентами), доступа к базам данных и статистики. Дополнительно можно приобрести модуль расширенной статистики SPC Pro (профессиональная статистика).

Приложения, созданные с помощью Wonderware InTouch, успешно используются в энергетике и автомобилестроении, добыче и переработке нефти и газа, производстве продуктов питания и полупроводников, в химической, фармацевтической и целлюлозно-бумажной промышленности. Пакет InTouch обеспечивает слежение за транспортными потоками по туннелю под Ла-Маншем и за экспериментами NASA на борту космического челнока. В Венесуэле InTouch был выбран для создания операторского интерфейса на самом большом в мире предприятии по производству стекла. Eastman Kodak использует InTouch для слежения за изготовлением рентгеновских пленок в своем отделении Dental Finishing. Нефтяная компания Chevron выбрала InTouch в качестве унифицированной программной базы систем АСУТП для своих предприятий по всему миру. InTouch используется в управлении добычей металлов и ферментацией зерна в Южной Африке, в производстве витамина C в Китае, грузовиков, сельскохозяйственного оборудования и автомобилей в США, Швеции и Германии и для переработки и добычи нефти в России (InTouch является корпоративным стандартом SCADA-системы на предприятиях концерна ЛУКОЙЛ).

Общий анализ SCADA-систем позволяет сформулировать некоторые их характерные особенности: автоматизированная разработка рабочих мест операторов, дающая возможность создания программного обеспечения системы автоматизации без использования стандартных языков программирования высокого или низкого уровня; средства сбора информации от устройств нижнего уровня автоматизации - удаленных RTU; средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях; средства архивирования и хранения измерительной информации с возможностью ее последующей обработки; средства обработки первичной измерительной информации; средства визуализации текущей исторической информации в виде таблиц, графиков, гистограмм, динамизированных мнемосхем, анимационных изображений; печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени; ввод и передача команд и сообщений оператора в ПЛК и другие устройства системы.

3.6 Графические средства InTouch

Компоненты среды разработки InTouch:

· WindowMaker - инструментальная среда разработки приложений;

· Application Explorer - представление приложения в иерархическом виде с доступом к любому компоненту приложения и многим часто используемым командам и функциям WindowMaker.

Проект, созданный в пакете InTouch, представляет собой набор окон (Window) с различными графическими и текстовыми объектами.

Окна в InTouch

Свойства каждого окна (наличие заголовка, цвет фона, размеры и т. д.) определяются при его создании. Создание нового окна производится в среде разработки WindowMaker щелчком по иконке панели инструментов General или командой File/New Window. На экране появится диалог Window Properties.

Рис. 3 Диалог Window Properties (Свойства окна)

Каждое окно должно иметь свое имя для его идентификации в приложении (Name). Цвет фона создаваемого окна выбирается из цветовой палитры, вызываемой на экран щелчком по окошку Window Color.

В поле Comment можно ввести комментарий, связанный с этим окном (необязательно). Эта информация нужна только для документирования и не используется приложением.

InTouch предлагает три типа окон (Window Туре):

· Replace (заменяющее) - закрывает все существующие окна, перекрываемые им при появлении на экране, включая окна типа Popup и другие окна типа Replace.

· Overlay (перекрывающее) - появляется поверх всех отображаемых в текущий момент окон. Когда окно типа Overlay закрывается, все скрываемые им окна восстанавливаются. Щелчок мыши по любому видимому участку лежащего ниже окна приводит к переходу его на передний план.

· Popup (всплывающее) - похоже на окно типа Overlay, только оно всегда остается поверх всех других открытых окон. Окно закрывается после соответствующей команды пользователя.

Выбор типа создаваемого окна производится включением соответствующей кнопки в поле Window Туре.

В поле Frame Style (стиль обрамления) выбирается необходимый стиль обрамления окна:

· Single - окно с рамкой, допускается заголовок;

· Double - окно с рамкой без заголовка;

· None - окно без рамки и заголовка.

Чтобы у окна была полоса с заголовком, где выводится имя окна, включают опцию Title Bar. Эта полоса также служит для перемещения окна при захвате ее мышью. При выборе этой опции отключатся опции Double и None для стиля обрамления.

Для возможности изменения размеров окна, когда оно откроется в WindowMaker, следует выбрать опцию Size Controls (управление размером).

В группе полей Dimentions определяются текущие размеры и положение окна на рабочем поле:

· X Location - расстояние в пикселях между левым краем рабочего поля WindowMaker и левым краем описываемого окна;

· Y Location - расстояние в пикселях между верхним краем рабочего поля WindowMaker и верхним краем описываемого окна;

· Window Width - ширина окна в пикселях;

· Window Height - высота окна в пикселях.

По умолчанию при создании нового окна эти параметры примут значения предыдущего (последнего) созданного окна.

Кнопка Scripts (скрипты) дает возможность войти в диалог Window Script для создания оконного сценария.

Для унификации внешнего вида окон приложения и сокращения сроков разработки приложений InTouch предлагает несколько приемов.

Один из таких приемов - дублирование окон. Создание копий окон выполняется командой File/ Save Window As. Для быстрого доступа к этой команде можно воспользоваться меню правой кнопки мыши (см. ниже).

Второй прием, который также позволяет экономить время разработки приложения - импорт окон. Можно повторно использовать все ранее созданные окна, объекты и скрипты. Чтобы импортировать окна из другого InTouch - приложения, необходимо воспользоваться командой File/ Import.

Интерфейс WindowMaker с открытым окном представлен на рис. 4.

Рис. 4 Интерфейс WindowMaker

3.7 Объекты и их свойства

Простые объекты.

WindowMaker поддерживает четыре базовых типа простых объектов: линии, заполненные контуры, текст и кнопки. Каждый из этих простых объектов имеет свойства, влияющие на его внешний вид. Такими свойствами являются цвет линии, цвет заполнения, высота, ширина, ориентация и т. д., и они могут быть статическими или динамическими.

· Линия - это объект, представляющий собой один или несколько связанных отрезков. Толщина линии и ее стиль являются статическими свойствами линии, присваиваемыми ей во время создания, и лишь цвет линии может быть связан с анимационной функцией.

· Заполненный контур (прямоугольник, скругленный прямоугольник, круг, эллипс, многоугольник) представляет собой двухмерный объект. К динамическим свойствам такого объекта относятся цвет контурной линии, цвет заполнения, насыщенность цвета заполнения, высота, ширина, расположение, видимость и ориентация.

· Текст представляет собой последовательность символов. К статическим свойствам текста относятся тип шрифта, его размер, выделение, курсив, подчеркивание, выравнивание. Анимационные свойства шрифта - цвет, видимость и расположение.

· Кнопка - часто используемый объект при создании операторских интерфейсов. С кнопками могут быть связаны функции различных типов. Нажатие кнопки может вызвать выполнение скриптов, кнопкой можно производить ввод аналоговых и дискретных величин и т. д.

Текст на кнопке редактируется с помощью команды Special/Substitute Strings... При этом текстовое поле может содержать только одну строку.

Один и тот же объект может иметь набор различных динамических свойств. Комбинации этих свойств предоставляют возможность создавать на экране в режиме исполнения (Runtime) практически любые динамические эффекты. Для установки динамических свойств надо прежде всего вызвать на экран диалог их выбора (рис.5). Это достигается командой Special/Animation Link или двойным щелчком левой кнопки мыши на объекте.



Рис. 5 Диалог выбора динамических свойств объекта

3.8 Поддерживаемые коммуникационные протоколы

DDE (Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными) представляет собой коммуникационный протокол, разработанный компанией Microsoft для обмена данными между различными Windows - приложениями. Этот протокол реализует взаимосвязи типа клиент - сервер между двумя одновременно исполняющимися программами.

В InTouch поддерживается также пакетированный DDE - обмен - FastDDE. Применение последнего заметно повышает эффективность и производительность обмена данными благодаря уменьшению общего количества DDE - пакетов, которыми клиент и сервер обмениваются между собой. Но принципиальные недостатки, связанные с надежностью и зависимостью от количества загруженных в текущий момент приложений Windows, остались. Необходимость в появлении более совершенного технологичного протокола созрела! Но следует отметить, что отказ от DDE-механизма происходит не мгновенно хотя бы потому, что в мире наработано большое количество DDE - серверов.

С целью расширения возможностей стандартного протокола DDE на локальную сеть компания Wonderware предложила NetDDE. Он позволяет приложениям, запущенным на объединенных в локальную сеть компьютерах, вести DDE - обмен. Позднее NetDDE лицензируется компанией Microsoft и поставляется в дистрибутивном пакете Windows. Следует отметить и то, что NetDDE допускает обмен информацией между приложениями на IBM PC и приложениями на машинах другого типа с операционной системой VMS или UNIX. Компания Wonderware предлагает и инструментальные средства для разработки DDE-серверов, в том числе и для не-Windows-платформ.

Протокол SuiteLink был специально разработан фирмой Wonderware для того, чтобы удовлетворить таким требованиям, как целостность данных, высокая производительность и простота диагностики. В основе протокола SuiteLink лежит протокол TCP/IP. SuiteLink не является заменой протоколам DDE, FastDDE и NetDDE. Новый протокол разработан для поддержания быстродействующих промышленных систем и обладает следующими характеристиками:

· Передача данных осуществляется в формате VTQ (Value, Time, Quality - значение, время, качество), в соответствии с которым каждая пересылаемая клиенту единица информации сопровождается метками времени и качества данных.

· Благодаря системному монитору операционной системы Windows NT (Performance Monitor) стал возможным расширенный анализ производительности по передаче данных, степени загрузки сервера, степени потребления ресурсов компьютера и сети, что особенно важно для проектирования и сопровождения больших распределенных промышленных сетей.

· Поддержка обмена данными между приложениями происходит независимо от того, исполняются ли эти приложения на одном узле сети или на разных.

...