Лабораторный комплекс управления виртуальными технологическими процессами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Автоматика и системы управления"

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Отчет по преддипломной практике

Студентка гр. 23И

С.О. Тимофеева

Руководитель - доцент кафедры АиСУ

А.Г. Малютин

Омск 2017



Содержание

Введение

1. TIA Portal (Totally Integrated Automation)

2. Siemens Simatic s7-1500

3. Scada - система

4. OPC

5. FBD

6. S7-SCL

6.1 Функции

6.2 Особенности

6.3 Пример

Библиографический список



Введение

Проектирование систем управления играет важную роль в современных технологических системах. Замена труда человека как в рабочих операциях, так и в операциях управления, действиями технических устройств называется автоматизацией. Совокупность технических средств - машин, средств механизации - при этом является объектом управления. Совокупность устройств управления и объекта управления образует систему управления. Система, в которой автоматизирована только часть управленческих операций, а другая их часть (обычно наиболее ответственная) выполняется людьми, называется автоматизированной системой управления (АСУ).

Управляющая часть этих систем представляет собой совокупность людей (персонала управления) и вычислительных машин. На основе рационального распределения между ними разнообразных управляющих функций стремятся наилучшим образом использовать возможности тех и других, достигнуть лучшего эффекта управляющей части в целом. Если в системах автоматического управления или регулирования все функции по управлению осуществляются без непосредственного участия человека с помощью специальных технических устройств (регуляторов), а в традиционных системах производственного или административного (организационного) управления они возлагаются на персонал, то решение задач управления совместно персоналом и техническими устройствами (ЭВМ) - первая характерная черта автоматизированных систем.

Автоматизированные информационно-управляющие системы, которые организуют целенаправленное управление техническими объектами на основе обработки информации, нашли широкое применение в управлении технологическими режимами и процессами (АСУТП), при проведении экспериментальных научных исследований (АСНИ), а также в автоматизированных комплексах контроля и технической диагностики.

Системы управления на последнем уровне иерархии представляют собой так называемые локальные системы управления или системы регулирования по поддержанию оптимальных значений параметров на отдельных установках, стабилизации входных потоков и т. и.



1. TIA Portal (Totally Integrated Automation)

SIEMENS TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) -- программный продукт для проектирования компонентов автоматизации SIMATIC.

Результатом многолетних усилий и значительных инвестиций, вложенных в разработку, стал новый программный продукт компании Siemens, получивший название Totally Integrated Automation Portal или кратко TIA Portal.

В первой версии TIA Portal, как в единой программной платформе, удалось объединить всё, что необходимо для работы со всеми компонентами автоматизации SIEMENS на всех этапах работы с проектом.

Разработка проектов для контроллеров и устройств распределённого ввода-вывода, конфигурирование систем человеко-машинного интерфейса и SCADA систем, параметрирование сетевых компонентов и модулей связи, отладка программных алгоритмов управления, а так же ввод в эксплуатацию приводов -- все это объединено в общую структуру программного обеспечения и имеют унифицированный пользовательский интерфейс. Это не только ускоряет работу, но и позволяет создавать решения, которые просты в обслуживании и диагностике, могут быть легко расширены или трансформированы.

Достоинством TIA Portal является простота использования продукта (Usability). Принципиально новый пользовательский интерфейс призван облегчить пользователю работу с платформой, а его унификация и стандартизация упрощают работу с разнообразным оборудованием. Это новое слово в разработке программного обеспечения. Основной упор сделан на наглядность, интуитивную понятность и отсутствие многократно вложенных структур.

Первый экран предлагает пользователю выбор доступных компонентов. Можно сразу перейти к параметрированию оборудования, написанию программ или разработки графических объектов человеко-машинного интерфейса. Если задействован дополнительный инструментарий, например, для параметризации приводов, он так же появляется на «портальной» странице.

При этом весь проект рассматривается как единое целое, а обработка отдельных функций проекта производится соответствующим инструментом. Можно, наоборот, переключиться в «проектный» вид, где представлена детализация и, уже в зависимости от решаемой задачи, выбирать инструментарий.

Все характеристики находятся не во вложенных меню, а расположены в дополнительных окнах на рабочем столе. Выбор набора характеристик осуществляется выбором объекта, к которому они привязаны. Например, выделив ЦПУ, мы получим доступ к общим настройкам процессора. Кликнув мышкой по его сетевому интерфейсу -- работаем с конкретными характеристиками встроенных портов связи.

В целом, интерфейс TIA Portal удобен и интуитивно понятен. Очень высокая информативность интерфейса и быстрый доступ к нужной функции. В центре расположено «главное окно», в котором представлен обрабатываемый объект, будь то аппаратная конфигурация или листинг программы. По периферии расположены дополнительные окна, в которых находится вспомогательная информация, детализация, операционные объекты или библиотеки. Причём основная работа может происходить как в центральном окне, так и во вспомогательных.

Существует также контроль действий программиста, что исключает ошибки и опечатки, при этом не препятствует сохранению работы. Имеются контекстные подсказки и ограничения, в результате чего невыполняемые задачи выпадают из списка.

HMI часть продукта TIA Portal унаследовала функциональные возможности как WinCC flexible (операторские панели и одиночные компьютеры), так и WinCC (SCADA с возможностями клиент-серверных конфигураций), но графический интерфейс редакторов в TIA портале, более похожий на интерфейс WinCC flexible, стал единым для этих двух пакетов. Сначала предлагается выбор и настройка аппаратной части. Можно сразу установить соединения с выбранными контроллерам и их переменными.

ПО TIA позволяет решать задачи на базе контроллеров SIMATIC S7 - 1500/ - 1200/ - 300/ - 400/WinAC. Для программирования используются следующие языки: LAD, FBD, STL, SCL, GRAPH. Оболочка TIA Portal реализована на пяти языках. Поддержка русского языка реализована с двенадцатой версии.

Рисунок 1 -Стартовое окно TIA Portal



2. Siemens Simatic s7-1500

Simatic S7-1500 - это серия программируемых контроллеров, которые позиционируются как устройства для решения высокомощных задач в области автоматизации. Эти приборы подходят для управления дискретными и непрерывными процессами и благодаря своей гибкой конфигурации могут использоваться в построения централизованных систем в электроэнергетике и разных сферах промышленности.

Достоинства:

Высочайшая производительность для своего класса. Эффективное решение задач автоматизации среднего и высокого уровня сложности. Минимальные времена реакции на внешние события. Время реакции терминал-терминал менее 100 мкс. Обмен данными по внутренней шине в 40 раз быстрее чем в s7-400;

Модульная конструкция. Максимальная адаптация аппаратуры к требованиям решаемых задач. Удобная конструкция и работа с естественным охлаждением;

Одновременное обслуживание систем локального и распределенного ввода-вывода и простое включение в сетевые конфигурации. Встроенная поддержка защищенного обмена данными через промышленные сети и Интернет;

Расширенная концепция защиты доступа к программе и данным;

Свободное наращивание функциональных возможностей при модернизации системы управления.



Рисунок 2 - Внешний вид Siemens Simatic s7 1500

автоматизированный управляющий информация проектирование



3. Scada - система

SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) - программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать автоматическое управление технологическими процессами в режиме реального времени.

SCADA система Simatic WinCC (WinCC -- Windows Control Center, поскольку работают под управлением различных версий ОС Windows) - это мощный программный комплекс для создания систем HMI. Данное программное решение входит в семейство систем автоматизации Simatic компании Siemens AG. Данное решение разрабатывается и выпускается с 1995 года, прошло путь от однопользовательской системы до комплекса приложений, позволяющих реализовывать резервированные SCADA/HMI, с использованием Microsoft SQL Server, 3D, и многим другим.

WinСС обладает удобным пользовательским интерфейсом для создания промышленных, офисных приложений. Гарантирует стабильную и надежную работу, предоставляя эффективные инструментальные средства конфигурирования.

Характеризуется высоким уровнем инноваций, являясь лидером на европейском рынке и вторым на мировом уровне, что несомненно говорит о долговременной стратегии развития продукта.

К преимуществам относят: многоязыковую поддержку, все функции Scada находятся на одной платформе, легкость и эффективность проектирования, согласованную масштабированность (включая Web), открытые стандарты для простой интеграции, расширяемость за счет опций и доп. пакетов.

Основные функции: функции проектирования, причем настолько мощные, что позволяют существенно снизить время, затрачиваемое на разработку; функции слежения за процессом и диагностики; имеется полный базовый пакет, предназначенный для управления и визуализации процессов.

Так как WinCC не ориентирован на какую - либо определенную область, то у него достаточно широкий диапазон применения: автомобилестроение, химическая и фармацевтическая промышленность, печатная отрасль, энергоснабжение, пластмассовая и резиновая отрасли, торговля и сфера услуг, производство и переработка бумаги, машиностроение, водоочистка и канализация и многое другое.

SCADA система WinCC позволяет конфигурировать и настраивать связь с различными видами контроллеров от множества производителей (не только Simatic от Siemens AG). Есть возможность хранения, архивирования сообщений и переменных, построение отчетов. Windows Control Center позволяет использовать скрипты на языках ANSI C, VBS, VBA, и других. Для обеспечения интеграции с сетями предприятий используются стандартные и всем известные интерфейсы OLE, ODBC, SQL, открытый OPC-интерфейс. Графические элементы позволяют использовать ActiveX.



Рисунок 3 - Реализация котельной (Scada-система)

Обмен данными между SCADA WinCC и прочими Windows приложениями происходит с помощью механизмов DDE, OLE, ODBC/SQL. Сегодня Windows Control Center поддерживает распределённую структуру проекта с многопользовательскими решениями. Вложенный WinCC Web Navigator позволяет получить доступ к данным АСУ ТП через internet и intranet. Обмен между устройствами по протоколам Modbus, Profibus предоставляется широкий набор драйверов, возможно участие SCADA WinCC в обмене данных как в виде OPC-клиента, так и в виде OPC-сервера.



4. OPC

Стандарт ОРС разработан международной организацией OPC Foundation, членами которой являются более 400 фирм, работающих в области средств автоматизации и измерительной техники. Этот стандарт описывает интерфейс обмена данными между устройствами управления технологическими процессами. Главной целью стандарта ОРС явилось обеспечение возможности совместной работы (интероперабельности) средств автоматизации, функционирующих на разных аппаратных платформах, в разных промышленных сетях и производимых разными фирмами. До разработки ОРС стандарта SCADA пакет нужно было адаптировать к каждому новому оборудованию индивидуально. Существовали длинные списки "поддерживаемого оборудования", очень сложной была техническая поддержка. При модификации оборудования нужно было вносить изменения во все драйверы, каждый из которых поддерживал протокол обмена только с одной клиентской программой. Число таких драйверов доходило до сотен.

После появления стандарта ОРС практически все SCADA-пакеты были перепроектированы как ОРС-клиенты, а каждый производитель аппаратного обеспечения стал снабжать свои контроллеры, модули ввода-вывода, интеллектуальные датчики и исполнительные устройства стандартным ОРС сервером. Благодаря появлению стандартизации интерфейса стало возможным подключение любого физического устройства к любой SCADA, если они оба соответствовали стандарту ОРС. Разработчики получили возможность проектировать только один драйвер для всех SCADA-пакетов, а пользователи получили возможность выбора оборудования и программ без прежних ограничений на их совместимость.

Стандарт ОРС относится только к интерфейсам, которые ОРС сервер предоставляет клиентским программам. Метод же взаимодействия сервера с аппаратурой (например, с модулями ввода-вывода), стандартом не предусмотрен и его реализация возлагается полностью на разработчика аппаратуры. Поэтому стандарт ОРС может быть использован не только для взаимодействия SCADA с "железом", но и для обмен данными с любым источником данных, например, с базой данных или с GPS приемником.

ОРС сервер как средство взаимодействия с техническим устройством может быть использован при разработке заказных программ на C++, Visual Basic, VBA и т. п. В этих задачах ОРС сервер используется как Microsoft DCOM объект, от которого он отличается только стандартизацией обозначений и специфическими терминами из области промышленной автоматизации. Применение ОРС сервера при разработке заказных программ позволяет скрыть от разработчика всю сложность общения с аппаратурой, представляя простой и удобный метод доступа к аппаратуре через интерфейсы СОМ-объекта.

Стандарт ОРС состоит из нескольких частей:

- ОРС DA (OPC Data Access) - спецификация для обмена данными между клиентом (например SCADA) и аппаратурой (контроллерами, модулями ввода-ввода и др.) в реальном времени;

- OPC Alarms & Events (A&E) - спецификация для уведомления клиента о событиях и сигналах тревоги, которые посылаются клиенту по мере их возникновения. Этот сервер пересылает аварийные сигналы, действия оператора, информационные сообщения, результаты контроля состояния системы;

- OPC HDA (Historical Data Access) - спецификация для доступа к предыстории процесса (к сохраненным в архиве данным). Сервер обеспечивает унифицированный способ доступа с помощью DCOM технологии. Обеспечивает чтение, запись и изменение данных;

- Batch - спецификация для особых физико-химических технологических процессов обработки материалов, которые не являются непрерывными. В таких процессах выполняется загрузка нескольких видов сырья в определенных пропорциях согласно рецепту, устанавливаются режимы обработки, а после выполнения цикла обработки и выгрузки готового материала загружается новая партия сырья. ОРС сервер выполняет обмен между клиентом и сервером рецептами, характеристиками технологического оборудования, условиями и результатами обработки;

- OPC Data eXchange - спецификация для обмена данными между двумя ОРС DA серверами через сеть Ethernet;

- OPC Security - спецификация, которая определяет методы доступа клиентов к серверу, которые обеспечивают защиту важной информации от несанкционированной модификации;

- OPC XML-DA - набор гибких, согласующихся друг с другом правил и форматов для представления первичных данных с помощью языка XML, веб технологий и сообщений SOAP (см. раздел "Архитектура автоматизированной системы".);

- OPC Complex Data - дополнительные спецификации к OPC DA и XML-DA, которые позволяют серверам работать со сложными типами данных, такими как бинарные структуры и XML-документы;

- OPC Commands - набор программных интерфейсов, который позволяет ОРС клиентам и серверам идентифицировать, посылать и контролировать команды, исполняемые в техническом устройстве (в контроллере, модуле ввода-вывода);

- OPC Unified Architecture - принципиально новый набор спецификаций, который уже не базируется на DСОМ технологии, подробнее см. раздел "Спецификация OPC UA".

Из перечисленных спецификаций в России широко используются только две: ОРС DA и реже - OPC HDA.



Рисунок 4 - Архитектура OPC-сервера для Siemens Simatic S7

Сервер OPC DA является наиболее широко используемым в промышленной автоматизации. Он обеспечивает обмен данными (запись и чтение) между клиентской программой и физическими устройствами. Данные состоят из трех полей: значение, качество и временная метка. Параметр качества данных позволяет передать от устройства клиентской программе информацию о выходе измеряемой величины за границы динамического диапазона, об отсутствии данных, ошибке связи и другие.

Существует четыре стандартных режима чтения данных из ОРС сервера:

- синхронный режим: клиент посылает запрос серверу и ждет от него ответ;

- асинхронный режим: клиент отправляет запрос и сразу же переходит к выполнению других задач. Сервер после выполнения функции запроса посылает клиенту уведомление и тот забирает предоставленные данные;

- режим подписки: клиент сообщает серверу список тегов, значения которых сервер должен отправлять клиенту только в случае их изменения. Для того, чтобы шум данных не был принят за их изменение, вводится понятие "мертвой зоны", которая слегка превышает максимально возможный размах помехи;

- режим обновления данных: клиент вызывает одновременное чтение всех активных тегов. Активными называются все теги, кроме обозначенных как "пассивные". Такое деление тегов уменьшает загрузку процессора обновлением данных, принимаемых из физического устройства.

В каждом из этих режимов данные могут читаться либо из кэша ОРС сервера, либо непосредственно из физического устройства. Чтение из кэша выполняется гораздо быстрее, но данные к моменту чтения могут устареть. Поэтому сервер должен периодически освежать данные с максимально возможной частотой. Для уменьшения загрузки процессора используют параметр частоты обновления, которая может быть установлена для каждой группы тегов индивидуально. Кроме того, некоторые теги можно сделать пассивными, тогда их значения не будут обновляться данными из физического устройства.

Запись данных в физическое устройство может быть выполнена только двумя методами: синхронным и асинхронным и выполняется сразу в устройство, без промежуточной буферизации. В синхронном режиме функция записи выполняется до тех пор, пока из физического устройства не поступит подтверждение, что запись выполнена. Этот процесс может занимать много времени, в течение которого клиент находится в состоянии ожидания завершения функции и не может продолжать выполнение своей работы. При асинхронной записи клиент отправляет данные серверу и сразу продолжает свою работу. После окончания записи сервер отправляет клиенту соответствующее уведомление.

При использовании оборудования разных производителей на компьютере (контроллере) может быть установлено несколько ОРС серверов разных производителей, однако ОРС сервер монопольно занимает СОМ-порт компьютера (поскольку непрерывно выполняет обновление данных), поэтому количество портов должно быть равно количеству ОРС серверов. Для наращивания количества СОМ портов можно использовать преобразователи интерфейса USB в RS-232. К разным портам компьютера могут быть подключены разные промышленные сети. В этом случае ОРС серверы используются в качестве межсетевых шлюзов.

Рисунок 5 - Простой пример взаимодействия прикладных программ и физических устройств через ОРС сервер на одном компьютере



5. FBD

FBD (англ. Function Block Diagram) ? графический язык программирования стандарта МЭК 61131-3. Предназначен для программирования программируемых логических контроллеров (ПЛК). Программа образуется из списка цепей, выполняемых последовательно сверху вниз. Цепи могут иметь метки. Инструкция перехода на метку позволяет изменять последовательность выполнения цепей для программирования условий и циклов.

Для программирования используются наборы библиотечных и собственных блоков. Сам блок - это подпрограмма, функция, функциональный блок (И, ИЛИ, НЕ, таймеры, триггеры, счетчики, блоки обработки аналогового сигнала, мат. операции и мн. др.)

Каждая цепь является выражением, составленным графически из отдельных элементов. К выходу которого подключается следующий блок, образуя цепь, внутри которой блоки выполняются последовательно порядку соединения. Результат подается на выход ПЛК, либо записывается во внутреннюю переменную.



Рисунок 6 - Пример программы на FBD

Основные преимущества применяемого в ПЛК языка программирования: простота, наглядность, четкая последовательность, легкая структура команд, надежный и быстрый код.

Существует несколько модернизаций языка FBD, которые используются специалистами. Эти модернизации возникли в результате того, что техники перерабатывают FBD под себя.



6. S7-SCL

S7-SCL (Standard Control Language) - это PASCAL-подобный язык высокого уровня, предназначенный для программирования систем автоматизации SIMATIC. S7-SCL используется для описания комплексных алгоритмов управления и обработки данных.

Язык может быть использован для программирования систем автоматизации SIMATIC S7-300, SIMATIC S7-400, SIMATIC C7 и систем компьютерного управления SIMATIC WinAC.

S7-SCL имеет сертификат PLCopen Base Level.

6.1 Функции

Встроенный интерфейс пользователя с редактором, компилятором и отладчиком;

Символьные связи в отладчике;

Элементы языка высокого уровня: циклы, альтернативные ветви, распределители ветвей и т.д.;

Языковые расширения, характерные для программируемых контроллеров: обращение к входам и выходам, управление работой таймеров и счетчиков и т.д.;

Элементарные типы данных и типы данных, определяемые пользователем; символьная адресация и комментарии;

Разработка программы с использованием только символьной адресации, сохранение программы в файле-источнике;

Быстрое создание оптимизированной программы контроллера;

Отображение перекрестных ссылок;

Возможность отладки программы на языке высокого уровня;

Связь с системой подготовки документации DOCPRO.



6.2 Особенности

S7-SCL обеспечивает:

Простую и быструю разработку программ;

Высокое качество разрабатываемых программ;

Простую и ясную структуру программы;

Простоту тестирования.

6.3 Пример

В качестве примера программы на S7-SCL продемонстрируем код апериодического звена - статического звена.

Первым шагом, создаем функциональный блок, в котором прописываем все входы и выходы, переменные, ответственные за ошибки, коэффициент усиления звена, постоянную времени. Переменные представлены на рисунке 7.

Далее пишем код на языке SCL, который представлен на рисунке 8.

Функционирование блока можно проверить в блоке Main, переместив в него созданный нами блок апериодического звена. Данная процедура представлена на рисунке 9.

Рисунок 7 - Переменные блока апериодического звена

Рисунок 8 - Код блока апериодического звена

Рисунок 9 - Блок Main



Библиографический список

1. ООО «Сименс». TIA Portal: Добро пожаловать на новый уровень!/ ООО «Сименс», г. Москва // ИСУП. 2011. N 2.

2. OPC сервер [Электронный ресурс] / Вебсайт «Энциклопедия АСУ ТП» ? Электрон. текстовые дан. (172 032 байт). - Режим доступа: http://www.bookasutp.ru/Chapter9_2.aspx.

3. Scada системы. Обзор Scada систем [Электронный ресурс] / Вебсайт «bourabai» ? Режим доступа: http://bourabai.ru/dbt/scada.htm

4. Программирование промышленных контроллеров, разработка интерфейса пользователя для сенсорных панелей и SCADA-систем [Электронный ресурс]/ Вебсайт «rustehelectro» - Режим доступа: rustehelectro.ru

5. FBD [Электронный ресурс]/ Вебсайт «zedpost». - Режим доступа: http://zedpost.ru/yazik-programmirovaniya-fbd.html

6. П-регулятор [Электронный ресурс]/Вебсайт «Autoworks» ? Режим доступа: http://autoworks.com.ua/teoreticheskie-svedeniya/p-regulyator/

7. Справочный материал TIA Portal.

Размещено на Allbest.ru

...