46
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СИСТЕМЫ
3.1. Методы и средства разработки программного обеспечения
Принципы организации информационного обеспечения основаны на
решаемых задачах АСУТП. При разработке системы организации
информационного обеспечения учтено следующее: АСУТП является
распределенной системой с частью задач, решаемых непосредственно в
контроллере SCADAPack32 и АРМе оператора (рисунок 1) [21].
Рисунок 3 – Структурная схема АСУ ТП
Программное обеспечение микропроцессорного контроллера
SCADAPack32 и АРМ оператора позволяют организовать
функциональную и гибкую систему информационного обмена.
АСУТП предусматривает возможность ввода отдельных
необходимых величин и параметров вручную, непосредственно с пульта
АРМов либо с других внешних машинных носителей информации.
Программное обеспечение верхнего уровня АСУТП выполняется на
47
программном пакете разработчика InTouch 10.0 фирмы Wonderware под
ОС Windows XP. База данных размещена в системе InTouch и в MS SQL
Server 2005 Express.
Программное обеспечение позволяет обращаться к базе данных
системы информационного обеспечения одновременно нескольким
задачам с различных клиентских серверов. Функциональные подсистемы
системы SQL Server описаны в разделе «Программное обеспечение», там
же описаны решаемые ими задачи.
В состав информационного обеспечения АСУТП входят:
- оперативные базы данных рабочей станции оператора;
- массив данных контроллера ввода-вывода;
- архивная база данных технологических параметров, системных
тревог, событий и сообщений (хранится на рабочей станции оператора);
- рапорты и отчеты.
Оперативные базы данных рабочей станции оператора
Данные базы располагаются на рабочей станции оператора и
представляют собой внутренние базы данных приложений InTouch. В
состав баз данных входят:
- массивы данных, содержащие текущее состояние аналоговых и
дискретных параметров процесса - реальные точки технологического
процесса. Массивы предназначены для контролирования хода
технологического процесса, система при этом имеет необходимые данные
о ходе процесса;
- массивы данных, содержащие настройки трендов и групп
параметров, характеризующих тренды: цифровые представления трендов,
рапортов свободного формата. Массивы предназначаются для
группирования и настройки трендов процесса, а также для обеспечения
работы с дисплеями технологического процесса;
- массив данных контроллера ввода-вывода представляет собой
48
совокупность оперативных баз данных управляющего контроллера
SCADAPack32, входящих в состав АСУТП.
В состав базы данных ввода-вывода контроллера входят:
- блок телеметрической информации о текущем состоянии каналов
аналогового и цифрового ввода/вывода прибора;
- блок регистров данных алгоритма.
Архивная база данных технологических параметров, системных
тревог, событий и сообщений
Представляет собой совокупность таблиц в формате MS SQL Server
2005 Express и располагается на рабочей станции оператора. Архивная база
данных служит для хранения истории состояния технологического
процесса.
Архивная база данных включает в себя:
- массив данных, содержащий архивные данные. Массив
предназначается для доступа к данным технологического процесса из
исторических трендов, ретроскопа, отчетов и рапортов;
- массив данных, содержащий перечень событий
автоматизированной системы управления.
Включает следующие типы событий:
- аварийная сигнализация;
- регламентная сигнализация;
- системное сообщение;
- технологическое сообщение;
- квитирование сигнализации;
- действия оператора.
Массив предназначается для отслеживания событий, происходящих
в системе с течением времени в определенном периоде, а также для
получения рапортов и сводки аварийных сигнализаций.
SCADA-система InTouch по изменению значений тегов производит
49
запись новых значений в соответствующие таблицы СУБД MS SQL Server
2005. Для формирования отчетных форм из SCADA InTouch вызывается
приложение Microsoft Excel 2003 (входит в пакет MS Office 2003), далее
через скрипт VBA (Visual Basic Application) происходит запрос данных
(через ODBC- драйвер) из СУБД MS SQL Server. На основе полученных
данных формируется отчет в виде листа MS Excel. Конфигурация формы
отчетов задается исходным кодом скрипта VBA [22].
Принципы сбора, передачи, контроля и обработки информации.
Алгоритм сбора и передачи информации можно условно разделить на
следующие шаги:
- на нижнем уровне системы модули ввода-вывода контроллера
SCADAPack32 взаимодействуют с подключенными к ним датчиками и
исполнительными механизмами, получая он них сигналы и выдавая
управляющие воздействия по сигнальным линиям. Эта информация
передается по внутреннему протоколу в верхнюю плату контроллера
(5232);
- через модуль 5232 происходит обмен информацией с панелью
оператора и АРМ оператора. Применение протокола MODBUS TCP
позволяет организовать многомастерную сеть передачи данных;
- на верхнем уровне OPC-сервер производит периодический опрос
всех ПЛК SCADAPack32, получая от них значения запрашиваемых
регистров (тегов) по протоколу Modbus TCP и обеспечивает передачу
данных в SCADA-пакет Intouch 10.0 через сервер ввода-вывода OPCLINK;
- программа OPC2DB считывает конфигурацию тегов в OPC сервере,
и по изменению значения тега, сохраняет его значение в базе данных.
Данные в MS SQL Server 2005 Express являются архивом
функционирования системы и предназначены для:
- формирования технологических карт (отчетов);
- передачу в корпоративные информационные системы.
50
Структура программного обеспечения. В соответствии с проектом
АСУ ТП выполнена как двухуровневая система:
- нижний уровень - уровень ПЛК, представлен системным и
прикладным программным обеспечением ПЛК SCADAPack32.
- верхний уровень - уровень АРМ оператора и панели оператора,
представлен системным и прикладным ПО.
Основой построения программного обеспечения АРМа оператора
является структурная схема ПО (рисунок 2) [23].
Рисунок 4 – Структурная схема ПО АРМа оператора
Программное обеспечение нижнего уровня. ПО нижнему уровню
выполняет следующие функции:
- получение информации от датчиков посредством автоматического
опроса входов;
- математическую обработку и преобразование сигналов;
- контроль состояния каналов и формирование аварийных сигналов
для выдачи на верхний уровень в случае их отказа (обрыв, короткое
замыкание);
- контроль значений аналоговых сигналов по хранимым в памяти
51
ПЛК уставкам, формирование аварийных и предупредительных сигналов
для передачи на верхний уровень;
- обмен данными с верхним уровнем - передачу данных с датчиков
по протоколу Modbus TCP.
Программное обеспечение первого уровня состоит из системного и
прикладное. Системное ПО разработано на языке C++. Конфигурирование
системы осуществляется посредством записи в регистры контроллера.
Прикладное программное обеспечение ПЛК содержит следующие
основные алгоритмы:
Контроллер №1, блок КСУ и площадка обессоливания:
- управление задвижками Z464, Z465, Z473-476;
- регулирование уровня в отстойниках О-3,4,5 и КСУ-1,2,3,4;
- сигнализация загазованности;
- управление световой сигнализацией на щите АСУ ТП.
Контроллер №2, мини ГКС:
- управление задвижками Z470;
- управления погружным насосом в конденсатосборнике;
- автоматическая откачка жидкости из конденсатосборника;
- сбор данных с контроллера Siemens управляющий ГКС.
Контроллер №3, пункт слива-налива нефти:
- управление погружными насосами в канализационной емкости и
емкости приема нефти;
- автоматическая откачка жидкости из емкостей;
- управление световой сигнализацией на щите АСУТП.
Прикладное ПО разработано на языке LAD в пакете TELEPACE.
Программное обеспечение верхнего уровня.
Программное обеспечение АРМ оператора обеспечивает:
- обмен информацией с ПЛК SCADAPack32 путем его
периодического опроса;
52
- визуализацию параметров, состояния технологического процесса;
архивацию данных и аварийных сообщений;
- выдачу отчетных форм;
- управление исполнительными механизмами через графический
интерфейс оператора;
- просмотр, редактирование и запись в ПЛК уставок по аналоговым
параметрам;
- архивирование значений технологических параметров в MS SQL
Server 2005 (экспорт данных на архивный сервер) - далее эти данные могут
быть запрошены верхним уровнем.
В аппаратном плане этот уровень представлен персональным
компьютером (системный блок, монитор, периферийные устройства ввода-
вывода) [24].
Программное обеспечение АРМ Оператора разделяется на системное
и прикладное.
Системное ПО состоит из:
- операционной системы Windows XP SP2;
- пакет MS Office 2007;
- серверов ввода-вывода:
- OPC-сервер KepServerEx, реализующий обмен данными с ПЛК
SCADAPack32 по протоколу Modbus, а с ПО более высокого уровня - по
протоколу OPC.
- OPCLINK - программный шлюз, реализующий преобразование
данных из протокола ОРС в протокол SCADA Intouch - SuteLink;
- СУБД MS SQL Server 2005 Express.
Windows XP – это сетевая многозадачная операционная система,
управляющая программными компонентами рабочих станций верхнего
уровня. Сервера ввода-вывода служат для обмена данными и их
согласования по программным протоколам. Основой является ОРС-сервер.
53
Технология OPC позволяет различным программным модулям,
разработанным самостоятельно или другими компаниями,
взаимодействовать друг с другом через унифицированный интерфейс.
OPCLink - сервер ввода - вывода, который служит для связи SCADA-
системы Intouch с любыми ОРС-серверами других производителей.
СУБД MS SQL Server является реляционной базой данных, где
каждой таблице соответствует объект (или группа логически
объединенных объектов), а запись таблицы - срез значений параметров
объекта с меткого времени.
Все данные, хранящиеся в СУБД доступны для передачи на верхний
уровень (КИС) по SQL-запросу. Информационная безопасность СУБД
обеспечивается путем создания авторизированных пользователей (групп
пользователей) с различными правами доступа.
Прикладное ПО. Прикладное ПО АРМ Оператора выполнено на
основе SCADA-пакета Wonderware Intouch 10.0 состоит из:
- система прикладных видеокадров;
- система прикладных скриптов;
- система формирования технологических карт (отчетов) в MS Excel;
- система видеокадров.
Система прикладных динамизированных видеокадров является
основой отображения информации АСУТП. Она представляет собой
совокупность мнемосхем технологического объекта и служебных
видеокадров (журналы, тренды и т.д.), позволяющих оператору видеть
текущее состояние объекта в требуемом виде и выполнять функции
управления в супервизорном режиме.
При этом каждая мнемосхема или видеокадр представляют собой
окно InTouch, сконфигурированное для отображения требуемого объема
технологической информации. Гибкость интерфейса определяется
SCADA-системой. Добавление объектов осуществляется средствами
54
InTouch.
Информационная безопасность данных в Intouch обеспечивает
двухуровневая система авторизации пользователей. Все пользователи
разбиты на группы:
- оператор – только просмотр параметров;
- старший оператор – просмотр параметров, управление;
- технолог – просмотр, управление и коррекция уставок;
- системный инженер (администратор) – полный доступ.
Система формирования технологических карт построена на
использовании программы на VBA выполняемой в среде Microsoft Excel.
Вызов осуществляется из основной технологической мнемосхемы по
кнопке «Отчет». Исходными данными для формирования отчетов
являются записи в таблицах внешней СУБД [25].
В итоговые отчеты, период которых задается в программе, попадают
данные, экспортированные из СУБД MS SQL Server 2005. Каждая строка
отчета содержит интегрированные по некоторому закону (min значение,
max значение, среднее и т.д.) значения параметров, наименования которых
указаны в колонках и метку времени. Строка итога содержит интегральное
(опять же по заданному в конфигурации закону) значение параметров за
отчетный период.
3.2. Система оперативного контроля
Назначение и условия применения. Описание, функционирование
проекта SCADA-системы InTouch v 10.0, который является основной
частью специализированного программного обеспечения (ПО) АРМ
Оператора. Далее по тексту проект для InTouch для простоты обозначается
АРМ Оператора. Основное функциональное предназначение АРМа – это
мониторинг и управление технологическими объектами АСУ ТП УППН
55
«КОКУЙ». АРМ Оператора имеет интуитивно понятный пользовательский
интерфейс, для работы с которым достаточно среднего уровня знаний в
части использования ПК и операционной системы Microsoft Windows.
Функции АРМ Оператора [26]. АРМ Оператора обеспечивает
возможность выполнения перечисленных ниже функций:
- авторизация, разграничение прав пользователей АРМ;
- просмотр мнемосхем, содержащих оперативные параметры
технологических объектов АСУ ТП;
- просмотр состояния каждого отдельного параметра – норма, выход
за уставочные значения, ошибки канала (обрыв, КЗ) и т.д.;
- управление технологическими объектами (задвижка, клапан) –
изменение режима работы (ручной/автомат), стоп/пуск, открыть/закрыть и
т.д.;
- просмотр и настройка параметров связи АРМ Оператора с
оборудованием нижнего уровня;
- просмотр и редактирования значений уставок по аналоговым
параметрам;
- ручной ввод значений параметров (с соответствующими правами
доступа);
- архивирование аналоговых параметров с заданным интервалом;
- тренды - визуализация изменения значений аналоговых параметров
в виде графиков, возможность вывода на печать;
- архивные отчеты – просмотр и вывод на печать отчетов
архивируемых параметров;
- алармы – просмотр текущих и архивных событий (аварийных,
предупредительных, информационных) АРМа, их квитирование, вывод на
печать.
Состав технических средств. В состав технических средств входить
IBM-совместимый персональный компьютер (ПК), включающий в себя: