Проектирование систем управления.

Господствующая сегодня технология создания автоматизированных систем управления такова:

▪ специалист, знающий тонкости реализуемой технологии, разрабатывает алгоритм работы системы (обычно –словесное описание);

▪ по результатам анализа задачи (числа и характера информационных объектов – датчиков и исполнительных устройств, их удаленности, требуемых динамических характеристик, требований к пользовательскому интерфейсу, к протоколированию хода процесса и различного рода тревог и т.п.), а также по экономическим соображениям инженер-системотехник разрабатывает структурную схему системы, оцениваются потребные вычислительные ресурсы;

▪ выбирается или разрабатывается аппаратура: контроллер или промышленный компьютер, устройства связи с объектом ;

▪ разрабатывается и отлаживается программное обеспечение

С первой, второй и даже третьей задачами вполне может справиться специалист по автоматизации – штатный сотрудник предприятия.

Ключевой момент здесь – четвертая задача, разработка ПО. Для этого во-первых, требуется программист.

Если задачи подобного рода на предприятии не являются каждодневной работой (а чаще всего так и бывает), то программист – человек со стороны, тонкости технологии ему надо объяснять. Во-вторых, насколько бы хорошо ни было продумано ТЗ, неминуемо всплывут неучтенные нюансы, в особенности если процесс автоматизируется впервые. Нюансы всплывают порой неожиданно, а влезть в программу и внести коррективы практически может только сам разработчик, который в это время может быть занят другой работой или вообще откажется от дальнейшего сотрудничества. Так же обстоит дело и с внесением модификаций. В подобных ситуациях неминуемо возникают напряженность в отношении с клиентом, экономические потери и другие неприятности.

В то же время такая ситуация вовсе не является неизбежной. Если системотехнические вопросы можно решить своими силами, то остается дать технологу в руки инструмент, позволяющий изложить свои требования на языке, содержащем описание необходимых логических связок. Кроме того, в его распоряжение очень желательно предоставить средства разработки пользовательского интерфейса – рабочих экранов. Это, по сути, специализированный графический редактор и библиотеки изображений типовых элементов систем.

Таким образом, практически отпадает необходимость в создании ПО в традиционном смысле: надо просто изложить исходные требования немного другими средствами.В этом случае привлечение сторонних или содержание своих программистов перестает быть необходимым: исчезает промежуточное звено, скорость разработки существенно повышается, качество – тоже.

Программные продукты, реализующие эту идею, называются SCADA-системами (Supervisory Control and Data Acquisition system – система наблюдения, сбора данных и управления).

Как уже упоминалось, среди всех проектных работ разработка чертежей, схем и другой документации требует наибольших затрат времени и человеческого труда, при том, что подавляющая часть операций при черчении имеет совершенно рутинный характер. Естественно, что ранние САПРы представляли собой именно чертежные программы.

В ранние времена, при слабых машинах и несовершенных устройствах ввода (ничего лучше сколки не было) бытовала идея типового чертежа, когда изображение детали неизменно, лишь варьируются сведенные в таблицу размеры. Доминирующей она не стала, поскольку разнообразие деталей все-таки слишком велико, хотя создание групповых документов в конструкторской практике – обычное дело.

Разумеется, даже в самых ранних программах графика уже была векторной, т. е. все изображение представляет собой комбинацию из графических примитивов – отрезков, дуг, окружностей, эллипсов, сплайнов, полигонов, ломаных линий (полилиний), штриховок, а также фрагментов текста. Мы уже говорили о том, что только векторное представление позволяет создавать и редактировать изображения с приемлемой трудоемкостью.

В некоторых CAD-программах сначала вычерчивается изображение, а затем проставляются необходимые размеры. При этом размерное число получается таким, как на изображении. В других системах изображение можно практически просто нарисовать, отразив чисто качественные свойства детали. Затем наносятся все необходимые размеры, и изображение автоматически модифицируется в соответствии с назначенными размерными числами.

Такое свойство CAD-программ называется параметризацией, а сама CAD-программа – параметрической. На первый взгляд, ничего особенного, однако параметризация придает CAD-программе новые и очень важные свойства.

Во-первых, редактирование чертежей сильно упрощается и ускоряется.

Во-вторых – и это, пожалуй, дает самый большой эффект - появляется возможность создания системы связанных чертежей, когда несколько параметров назначаются глобальными в рамках проекта. В этом случае изменение размера в одном чертеже приводит к автоматическому изменению этого размера во всех чертежах, с ним связанных – будь то сборки всех уровней или сопрягаемые детали.

Разумеется, при этом возможны коллизии вроде выхода отверстия за контур детали, налезания одной детали на другую и т. п., но в параметрической системе обязательно предусматриваются средства их выявления.

В-третьих, параметризация позволяет менять не только размеры, но и форму конструктивных элементов, вставляя тот или иной в зависимости от значения параметра, что наполняет новым содержанием идею типового чертежа.

Ну и, наконец, она дает возможность делать изображение «на скорую руку» в расчете на то, что точность обеспечится за счет параметризации.

D и 3D.

Поскольку чертеж – это в принципе изображение на плоскости, чертежные программы являются двумерными, то, что сегодня называется 2D (2 dimensions).

2D–редакторы и сегодня являются самыми распространенными, однако им свойственны очень серьезные ограничения.

В этой проблеме можно выделить несколько аспектов.

Часть проблемы составляет то, что чертеж для получения представления об объекте требует хорошо развитого пространственного воображения. а оценить объект с точки зрения дизайна вообще практически не позволяет.

Известно, что 80% людей оценивают потребительские свойства изделия по внешнему виду, в меньшей степени это относится к технологическому оборудованию, в большей – судов, самолетов, транспортных средств, профессионального или военного электронного оборудования. Что же касается бытовой электротехники, мебели, посуды, автомобилей, то дизайн приобретает почти решающее значение. То же относится и к архитектуре. Для того, чтобы дефекты дизайнерского решения выявлялись не на натурных моделях, которые в общем-то очень недешевы, необходимо фотографически достоверное изображение объекта, которое, в лучшем случае, можно было бы еще вертеть и разглядывать со всех сторон.

Второй аспект – компоновка изделия. При этом очень важно правильно представлять себе расположение его составных частей в пространстве. От этого зависит правильность оценки их взаимодействия не только в механическом плане, но и в плане теплообмена, электромагнитной совместимости и др. Любой практикующий конструктор знает, насколько сложно проработать этот момент на плоской бумаге. Конечно, можно сделать несколько видов и разрезов, что-то расчитать, но это сопряжено с огромными затратами труда.

Третий аспект – материальные свойства объектов, такие, как объем, масса, положение центра масс, момент инерции относительно произвольной оси. Это и при объектах относительно простой конфигурации всегда трудно сделать, а любое усложнение может сделать задачу почти неразрешимой.

Четвертый аспект – оценка поведения объекта под действием сил, а также в динамике, в особенности во взаимодействии с другими объектами.

использование информации об объекте в CAM-системах. Если имеется только плоский чертеж, для разработки программы обработки на станке с ЧПУ требуется, чтобы программист представил в голове и саму деталь, и траектории инструмента.

Надо ли объяснять, насколько это сложно и сколько при этом можно сделать ошибок?

Наверняка найдется еще достаточно аргументов в пользу того, что техмерная модель лучше плоского чертежа.

Это естественным образом стимулировало развитие соответствующего математического аппарата и создание программных продуктов для 3D-моделирования.

Правда, и в этом вопросе существуют различные подходы.

К примеру, в AutoCADе, который изначально разрабатывался как 2D-система, и в котором 3D-моделирование появилось в качестве надстройки, создается каркасная модель.

Это значит, что создается поверхность, а не тело.

В отличие от этого, в системах, которые изначально создавались как 3D, создается именно тело (solid). Технология создания и свойства созданного объекта достаточно сильно отличаются.

Таким образом, 3D-системы не только обладают всеми возможностями 2D-систем в плане создания чертежей, но и имеют очень серьезные преимущества в других планах.

Хорошие 3D-системы включают в себя также средства, существенно облегчающие создание сборочных чертежей и спецификаций.

Однако, если речь идет о том, какую систему следует приобретать для профессиональной работы, приходится рассматривать и другие стороны вопроса, кроме чисто функциональных:

▪ создание 3D-модели при прочих равных требует существенно больших трудозатрат,

▪ 3D-системы сложнее изучать и осваивать,

▪ 3D-системы существенно дороже, чем 2D.

По оценке одноко из практикующих конструкторов с большим опытом работы и с теми, и с другими системами, использование 3D-систем нецелесообразно в тех случаях, когда:

▪ большинство деталей проекта имеют простую конфигурацию,

▪ узлы относительно несложны и не требуют контрольной электронной сборки, или в основном применяется полнофункциональное моделирование изделия.

Без применения 3D-систем не обойтись, если, в частности:

▪ узлы настолько сложны, что контрольная электронная сборка экономичнее натурного моделирования,

▪ детали имеют сложную «скульптурную» форму, и для их изготовления необходимо создание управляющих программ для станков с ЧПУ с помощью САМ-систем,

▪ необходимо выполнять расчеты на прочность, исследование динамики,

▪ есть необходимость создания прототипов методами «Rapid Prototyping».

Не могу с уверенностью объяснить значение термина «Rapid Prototyping», но мне известно о методе создания натурных моделей, когда на станке с ЧПУ из специального листового материала вырезаются сечения детали, отстоящие друг от друга на толщину листа, и слой за слоем наклеиваются.

По прочности и стабильности этот материал превосходит дерево, полученная деталь по форме практически не отличается от того, что задумано, и может быть использована для изготовления литейной формы или натурного моделирования узла.

Таким образом, существуют направления проектной деятельности, в которых использование 3D-систем объективно необходимо, но удельный вес таких направлений все еще невелик, хотя имеется тенденция его роста, поэтому в ближайшей перспективе использование 2D-систем, по-видимому, будет преобладать.

По мере уменьшения ценовых различий между конкурирующими 2D- и 3D-системами они начнут использоваться для решения тех задач, которые в практике предприятия встречаются относительно редко и сегодня решаются подручными средствами за счет больших усилий и чудес изворотливости, а поскольку им заодно присущи все возможности 2D- систем, то и для решения всех остальных задач наряду с 2D- системами.

По мере развития системы подготовки инженеров и увеличения числа людей, владеющих навыками работы в 3D-системах, придет пора, когда создание трехмерной модели перестанет существенно отличаться по трудозатратам от создания двухмерной, при том, что трехмерная модель будет востребована на следующих этапах проектирования – и тогда распространение 3D-систем будет интенсивно расширяться.

Схемы.

Несмотря на то, что схемы можно графически выполнять и с помощью универсальной машиностроительной системы типа того же AutoCAD, специализированные редакторы для этой цели намного удобнее. Кроме этого, они обладают целым рядом свойств, не связанных с графикой.

По сравнению с ранними разработками они не претерпели существенных изменений – разве что интерфейс стал более удобным, несколько изменились приемы редактирования, а также облегчилась связь с программами –симуляторами и программами разработки печатных плат.

Особенностью программ для разработки схем является наличие двух редакторов (или двух режимов одного редактора), один из которых позволяет создавать символы элементов, другой – создавать собственно схемы.

Символ элемента включает в себя не только графику условного графического обозначения, но также упаковочную информацию (соответствие функционального назначения

выводов элемента номерам контактов корпуса – то, что на профессиональном жаргоне называется цоколевкой). В продвинутых программах в него же входит информация о типе и номинале элемента и типе корпуса. Тип и номинал используются программой-симулятором, а тип корпуса используется при передаче схемы в редактор печатных плат.

Схема содержит в графическом виде информацию об электрических связях, которая при передаче в программу-симулятор или в редактор печатных плат преобразуется в двоичный файл списка цепей. Особенностью редакторов схем является наличие режима, в котором при перемещении символа электрические связи тянутся за ним. Это важно именно при создании схем и может быть использовано для создания не только электрических, но и пневмогидравлических схем, Если создать соответствующие символы, можно делать и кинематические, и технологические, и другие схемы, при этом только принципиальные, но и схемы соединений, функциональные, структурные и т. п.

Даже самые простые программы этого класса обладают средствами организации библиотек элементов.

Печатные платы.

Все программы для разработки печатных плат при имеющихся различиях в интерфейсах, приемах редактирования, других функциональных характеристиках имеют ряд обязательных атрибутов:

▪ имеются два редактора (или два режима одного редактора) – один для разработки собственно платы, другой – для создания корпусов компонентов.

▪ информация об электрических связях, переданная из принципиальной схемы, отображается в виде «воздушных» связей, если связь еще не реализована в виде печатного рисунка, что позволяет визуально обнаруживать неразведенные связи,

▪ все элементы, относящиеся к одной цепи (контакты, печатные проводники, «воздушные» связи) могут быть подсвечены при выборе этой цепи, что позволяет контролировать и оптимизировать конфигурацию цепи.

▪ имеются средства контроля, не позволяющие соединять печатными проводниками элементы, относящиеся к разным цепям,

▪ имеются средства технологического контроля, не позволяющие располагать элементы проводящего рисунка ближе, чем задано.

▪ все программы позволяют менять местами логически эквивалентные выводы одного вентиля, а позднейшие разработки – менять местами логически эквивалентные вентили (правда, в пределах одного корпуса), что довольно часто позволяет существенно улучшить конфигурацию проводящего рисунка.

▪ все программы позволяют выполнять элементы проводящего рисунка не только в виде линий, а и в виде полигонов, при этом некоторые автоматически формируют вокруг контактных площадок так называемые тепловые барьеры (подробно в следующем семестре).

▪ при перемещении элементов или отдельных сегментов проводящего рисунка соседние «тянутся» за ними.

▪ все программы имеют средства для передачи информации в программы автоматической трассировки (или входят с этими программами в один пакет), что позволяет выполнить наиболее трудоемкую часть работы при компьютерной поддержке.

▪ несмотря на то, что уже сейчас широко распространена практика отказа от чертежей при изготовлении печатных плат, при необходимости их выполнения современные редакторы плат имеют достаточно развитые средства для выполнения графики и текстов, включая поддержку шрифтов True Type.

▪ все программы имеют встроенные средства подготовки программ для сверлильных станков с ЧПУ и фотоплоттеров, при этом необходимая для них информация (диаметры и координаты отверстий, диаметры контактных площадок, диаметры окон в защитной маске), формируется в процессе проектирования.

SCADA-системы

(по материалам статьи Александра Локоткова «Что должна уметь система SCADA», СТА 3/98)

Первый вопрос, как всегда, это вопрос терминологии.

В строгом смысле SCADA-система – это программное обеспечение, функционирующее в составе АСУТП конкретного объекта, или, как принято называть его на профессиональном жаргоне, управляющая программа.

На первый взгляд, инструментальные средства, предназначенные для разработки таких систем – это несколько иной класс программных продуктов.

Однако сегодня стандартом стало сращивание инструментальных систем и собственно SCADA-систем. В частности, так называемые run-time компоненты (программные средства, обеспечивающие работу системы в реальном времени) инструментальных систем используются не только для отладки проекта, но и для непосредственного управления технологическим процессом.

Сам термин SCADA (Supervisory Control And Data Asquisition – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) содержит две основные функции системы:

· сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

·

· прием информации от датчиков и контроллеров нижних уровней

· сохранение принятой информации в архивах

· вторичная обработка принятой информации

· графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобном для восприятия виде

· регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы

· прием команд оператора и передача их контроллерам нижних уровней и исполнительным механизмам

· оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым процессом и функционированием аппаратно-программных средств АСУТП с регистрацией действий персонала

· формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации

· обмен информацией с АСУП

· непосредственное управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами

Этот список имеет самый общий характер, поскольку в реальности набор функций, а также их удельный вес определяются спецификой задачи.

Программное обеспечение с ярко выраженным упором на функции взаимодействия с оператором называют HMI-системами или пакетами (Human-Machine Interface). Как следует из самого названия, основной функцией SCADA-системы является именно обеспечение HMI, хотя практически во всех существующих системах имеется возможность непосредственного управления техпроцессами. Такое совмещение позволяет экономить на аппаратных средствах, однако оно таит в себе и достаточно серьезные опасности. Во-первых, ресурсоемкая графика снижает быстродействие системы в целом. Во-вторых, неумелые действия оператора или запуск, мягко выражаясь, несанкционированного ПО могут «завесить» не только HMI, но и всю операционную систему, что приведет к нарушению всего техпроцесса, а достаточно часто и к возникновению прямой опасности для персонала и оборудования. Конечно, в инерционных системах потеря нескольких минут на перезагрузку к серьезным неприятностям не приведет, но такие системы не составляют подавляющего большинства.

Понятно, что ПО АСУТП может быть создано и без использования инструментальных SCADA-систем, и в ряде случаев оно может оказаться и дешевле, и эффективнее.

При решении вопроса о том, использовать инструментальную SCADA-систему или нет, полезно сначала ответить на несколько вопросов, в частности:

1. Насколько велик проект

2. Каковы сроки исполнения

3. Велика ли трудоемкость разработки ПО, какова квалификация потенциальных разработчиков и имеют ли они наработки в данной области

4. Каковы перспективы по расширению системы

5. Какова квалификация персонала, которому предстоит обслуживать систему в процессе эксплуатации и, возможно, вносить изменения в алгоритмы ее работы.

Естественно, чтобы иметь возможность сделать обоснованный выбор, надо иметь достаточно детальное представление о существующих SCADA-системах, о их возможностях и особенностях