Типы взаимодействия с контроллерами.

Центральное звено систем автоматизации - микропроцессорный контроллер - объединяет под этим названием ряд классов и типов универсальных микропроцессорных средств, которые удовлетворяют запросам разных категорий заказчиков.

По мощности, косвенно характеризуемой числом обслуживаемых входов/выходов, контроллеры подразделяются на следующие классы:

-класс самых малых контроллеров (десятки входов/выходов);

-класс малых контроллеров (сотни входов/выходов);

-класс больших контроллеров (тысячи входов/выходов).

По типу взаимодействия контроллеров со следующим уровнем, SCADA – системы, можно выделить следующие разновидности:

1. Закрытые системы, распределенные системы управления (РСУ), характеризуется тем, что в состав каждого комплекса технических средств включается специально разработанное программное обеспечение, которое не может быть применено в микропроцессорных системах других фирм. Это программное обеспечение включает в себя средства для программирования контроллера, средства визуализации станций оператора и собственные протоколы взаимодействия системы управления с контроллером (рис.2).

Рис. 2. Схема распределенной системы управления.

Для получения данных в SCADA – системе от контроллера, используются собственные протоколы фирм-производителей систем управления, которые реально обеспечивают скоростной обмен данными.

К этому типу взаимодействия можно отнести следующие распределенные системы управления: Centum CS3000 фирмы Yokogawa, DeltaV фирмы Emerson Process Management, I/A Series фирмы Foxboro и др.

2. Открытые системы, сетевые комплексы на основе микропроцессорных контроллеров, характеризуется тем, что применяются открытые пакеты прикладных программ для операторских станций, предназначенных не для конкретной микропроцессорной системы, а приспособленные для применения в разных программно-технических и сетевых средах (рис.3).

Рис. 3. Схема применения SCADA - систем

Свойство открытости состоит в том, что пакет прикладных программ:

- поддерживает совокупность интерфейсов и драйверов, позволяющих использовать пакет для широкого класса микропроцессорных контроллеров, систем и сетей передачи данных;

- содержит средства разработки новых интерфейсов и драйверов для микропроцессорных приборов и сетей;

- позволяет расширять функциональные возможности систем в соответствии с заданиями на конкретные проекты - путем подключения программ пользователя.

Для подсоединения драйверов ввода/вывода к SCADA - системе в настоящее время используются следующие механизмы:

- протокол DDE (Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными);

- собственные протоколы фирм-производителей SCADA – систем;

- новый OPC – протокол (OLE for Process Control).

Изначально протокол DDE применялся в первых человеко-машинных интерфейсах в качестве механизма разделения данных между прикладными системами и устройствами типа ПЛК (программируемые логические контроллеры). Протокол DDE представляет собой коммуникационный протокол для обмена данными между различными Windows - приложениями. Этот протокол реализует взаимосвязи типа клиент - сервер между двумя одновременно исполняющимися программами.

Основная цель OPC стандарта (OLE for Process Control) заключается в определении механизма доступа к данным с любого устройства из приложений. OPC позволяет производителям оборудования поставлять программные компоненты, которые стандартным способом обеспечат клиентов данными с ПЛК.

Стандарт ОРС разрабатывался специально для использования в промышленной автоматизации, и он имеет проблемно-ориентированную модель взаимодействия, которая реализована через совокупность COM/DCOM - интерфейсов.

Стандарт состоит из трех основных спецификаций:

1) доступ к данным РВ (Data Access);

2) обработка тревог и событий (Alarms & Events);

3) доступ к историческим данным (Historical Data Access).

ОРС-серверов, соответственно, тоже может быть три вида, хотя не возбраняется совмещать все эти функции в одном. ОРС-серверы физических устройств обычно являются только серверами данных (Data Access Servers). Серверы тревог и исторические чаще всего применяются на серверах данных. Сервер тревог формирует определенные логические переменные, называемые состояниями (conditions), имея в качестве исходной информации некую переменную (тег), полученную от сервера данных. Серверы исторических данных получают от серверов данных параметры в реальном времени и архивируют их, а затем предоставляют эти данные другим приложениям (например, для построения графиков трендов).

Центральное место среди спецификаций ОРС занимает доступ к данным РВ (Data Access). Базовым понятием этой спецификации является элемент данных (Item). Каждый элемент данных (т. е. фактически - параметр технологического процесса) имеет значение, время последнего обновления (timestamp) и признак качества, определяющий степень достоверности значения. Значение может быть практически любого скалярного типа (булево, целое, с плавающей точкой и т.п.) или строкой (на самом деле это так называемый OLE VARIANT). Время представляется с 100-наносекундной точностью (на самом деле это FILETIME Win32 API). Качество - это код, содержащий в себе грубую оценку достоверности параметра -UNCERTAIN, GOOD и BAD (не определено, хорошее и плохое), а на случай плохой оценки - еще и расшифровку, например, QUAL_SENSOR_FAILURE -неисправность датчика.

К этому типу взаимодействия можно отнести следующие SCADA - системы: InTouch фирмы Wonderware, iFix фирмы Intellution, Genesis фирмы Iconics и др.

Аппаратная реализация связи с устройствами ввода/вывода.

Для организации взаимодействия с контроллерами могут быть использованы следующие аппаратные средства:

- COM - порты. В этом случае контроллер или объединенные сетью контроллеры подключаются по протоколам RS-232, RS-422, RS-485.

- Сетевые платы. Использование такой аппаратной поддержки возможно, если соответствующие контроллеры снабжены интерфейсным выходом на Ethernet.

- Вставные платы. В этом случае протокол взаимодействия определяется платой и может быть уникальным. В настоящее время предлагаются реализации в стандартах ISA, PCI, CompactPCI.

Программные средства для операторских станций в системе автоматизации управления производством (SCADA – системы)

Программные системы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие работу компьютерных операторских станций, в литературе получили наименование «SCADA-программы» (Supervisory Control and Data Acquisition - cбop данных, наблюдение и управление).

SCADA-программы применяют в своей деятельности пользователи - сотрудники организаций следующих групп:

- промышленных предприятий, разрабатывающих и реконструирующих микропроцессорные системы управления производственными процессами;

- проектных и наладочных фирм, создающих и модернизирующих системы контроля и управления;

- системных интеграторов, разрабатывающих эффективные программно-технические комплексы управления, использующие технические и программные средства разных изготовителей

- фирм-разработчиков микропроцессорных средств автоматизации управления.

SCADA-программы обеспечивают реализацию основных функций операторских станций в реальном времени:

- сбор текущей технологической информации от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с операторской станцией;

- необходимую первичную обработку измерительной информации, а также вычислительную и логическую обработку технологических данных в операторских станциях;

- архивизацию и хранение текущей информации и ее дальнейшую обработку;

- представление текущей и исторической информации на дисплее (в формах динамизированных мнемосхем, гистограмм, анимационных изображений, таблиц, трендов, аварийных сообщений и т.д.);

- печать отчетов и протоколов в задаваемых формах - по времени или по запросу оператора;

- регистрацию аварийных ситуаций в моменты их возникновения и вывод аварийных сообщений на экран или на внешние устройства;

- ввод команд и сообщений оператора, их отработку или передачу в контроллеры и другие устройства;

- подключение и организацию взаимодействия прикладных программ пользователя с переменными базы данных реального времени и командами оператора;

- информационные сетевые взаимодействия между узлами системы управления.

Каждая SCADA-программа содержит в своем составе две базовые подсистемы:

- инструментальная система (система разработки), - среда разработки программного обеспечения, действующего в составе операторских станций;

- исполнительная система, поддерживающая работу программного обеспечения операторских станций в реальном времени.

Инструментальная система применяется при разработке программ операторских станций проектантами и системными интеграторами. Каждый экземпляр инструментальной системы многократно используется для разработки операторских станций в разных проектах; применяется также эксплуатационниками на предприятиях для коррекции и модернизаций программного обеспечения станций.

Исполнительная система поддерживает работу программного обеспечения отдельной станции. Инструментальная система технически может поддерживать также работу операторской станции в реальном времени и может быть применена в качестве исполнительной. В некоторых специализированных SCADA - программах инструментальная и исполнительная системы не разделены и представляют собой единое целое.

Преимущества использования SCADA-программ по сравнению с непосредственным программированием операторских станций состоят в следующем. Практически исключается необходимость в привлечении высококвалифицированных программистов для разработки операторских станций. Для этого достаточно квалификации специалиста по автоматизации производства и программиста средней квалификации; значительно сокращаются затраты труда и времени на разработку операторских станций; поддерживается на высоком уровне качество созданных программ; существенно повышается удобство работы оператора производства.