“Любым технологическим процессом должна управлять автоматизированная система (АСУ ТП)” - в 60-х годах такое утверждение казалось аксиомой. Однако после многих попыток проверить ее истинность выяснилось, что это скорее теорема, и доказательство ее долгое время оставалось неподтвержденным практикой. Построению реально работающих АСУ ТП, как правило, препятствовали универсальные ограничивающие факторы - время и деньги, несущественные с теоретической точки зрения, но решающие с практической. Уложиться в приемлемые сроки при разумных материальных затратах часто не представлялось возможным, и лишь там, где заказчик мог себе позволить следующие очереди проекта АСУ ТП, а исполнитель - продолжение разработки и поддержки системы, можно было надеяться на успех.
Значимость ограничений “времяденьги” существенно ослабла в результате компьютерной революции 80 - 90-х годов. Резкое повышение мощности и надежности персональных компьютеров позволило использовать их в качестве сравнительно недорогой и широко распространенной аппаратной платформы. Появление же специализированных инструментальных средств, обусловивших переход от программирования систем к их конфигурированию, способствовало заметному сокращению времени разработки проекта. Об этих средствах и пойдет речь в данной статье.
КЛЮЧ К УСПЕХУ - MMI
Предназначенные для создания АСУ ТП программные средства в технической литературе называются MMI- или SCADA-программами (Man-Machine Interface - интерфейс человек - машина; Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных). Они обеспечивают взаимодействие в реальном времени группы операторов с управляемым процессом. Сейчас сфера применения MMI-систем расширяется и охватывает любые процессы, требующие диспетчерского управления с временем реакции на событие от нескольких секунд до нескольких часов. При этом не всегда в качестве источника информации выступает управляемый объект. Визуализируемые данные могут находиться в базах данных, электронных таблицах или поставляться другими программами, поддерживающими стандартные протоколы межпрограммного обмена (например, DDE).
К основным функциям MMI-систем относятся следующие: обеспечение двусторонней связи с объектом контроля и управления, визуализация информации в максимально удобном виде, оповещение диспетчера в случае возникновения нештатной ситуации (тревога), поддержка связи с существующими системами хранения информации (базами данных или электронными таблицами), ведение архивов, ограничение и контроль доступа пользователей, организация удаленного доступа и работы в сети. Кроме того, такие пакеты должны обладать рядом свойств, обеспечивающих удобство их применения и надежность в работе. В числе этих свойств - гибкость в настройке, поддержка целостности данных, распределенная архитектура, масштабируемость, резервируемость, наличие специализированных языков программирования и мощной справочной системы, возможность разработки драйверов и использования различных языков при создании проекта.
В короткой статье невозможно полностью раскрыть содержание всех функций системы. Поясним основные из них, взяв для примера продукцию одной из ведущих в этой области фирм - компании Intellution (США). Пакеты FIX (Fully Integrated Control System) этой фирмы созданы под операционные системы Windows 3.11, Windows 95 и Windows NT.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОБЪЕКТОМ УПРАВЛЕНИЯ
Источниками данных в системе, построенной на базе пакетов FIX, являются драйверы связи с контроллерами, собирающими информацию об объекте, DDE-серверы и реляционные базы данных. Надежность драйверов имеет особое значение. В FIX они позволяют не только выполнять двусторонний обмен данными с объектом, но и контролировать этот обмен. Такой драйвер сам констатирует потерю связи с объектом и автоматически уведомляет оператора. Общение с объектом имеет наивысший приоритет и не прерывается другими задачами, будь то обращение к диску или перемещение окна. Оператор может быть полностью уверен в достоверности отображаемой информации. На случай сбоя или прерывания сеанса связи драйверы имеют встроенные средства защиты данных, восстановления связи и подачи сигнала тревоги.
Второй тип источников данных - приложения, поддерживающие стандартный программный интерфейс DDE. К ним, например, относятся электронные таблицы Excel. Основной недостаток DDE-протокола - отсутствие обратной связи от приемника к источнику данных, вследствие чего, в принципе, возможна неустановленная потеря данных. Именно поэтому в FIX протокол DDE не используется для обмена данными с контроллерами.
Наконец, третий стандартный метод получения данных - обмен данными с реляционными базами данных по протоколу ODBC. Большинство популярных СУБД разного класса - Oracle, Sybase, Access и др. - поддерживают этот протокол. ODBC предусматривает контроль передачи информации. В случае потери связи данные будут сохранены и после ее восстановления переданы повторно. Возможны и нестандартные методы доступа к базе данных с помощью библиотеки вызовов на языке Си++.
Хранение и обработка информации
Поступающие и передаваемые данные хранятся в собственной базе данных FIX. В сущности, это не столько база входных и выходных данных, сколько система функциональных элементов или блоков. Элементы могут быть входными, промежуточными и выходными.
Входные элементы получают информацию от объекта и проводят ее первичную обработку. Примерами таких элементов служат аналоговый вход, цифровой вход, блок объявления тревоги по аналоговому или дискретному сигналам, блок проверки логического условия.
Промежуточные блоки производят преобразование данных. С их помощью могут быть построены сложные алгоритмы контроля и управления. К промежуточным блокам относятся, в частности, вычислительный и программный блоки, блок действий по событиям, коммутатор сигналов, сумматор, блок задержки и др. Промежуточные блоки могут изменять значения в других блоках базы данных.
Выходные блоки предназначены для передачи управляющих сигналов от системы к объекту. Такими блоками, например, являются аналоговые и цифровые выходы, блоки включения-выключения.
Блоки можно связывать в цепочки, создавая сложные алгоритмы управления. Для работы с непрерывными процессами предусмотрены блоки опережения-задержки и ПИД-регулирования. Статистическая обработка данных выполняется специальными блоками гистограмм, Парето или статистического управления. Значения параметров на графиках отображаются с помощью тренд-блоков. Всего в базе данных насчитывается около 30 функциональных блоков и возможна самостоятельная разработка дополнительных блоков.
Работу с базой данных облегчает подсистема генерирования и редактирования базы данных. Для выполнения большого объема преобразований ее можно экспортировать в текстовый файл и, обработав редактором, импортировать обратно. Таким способом, в частности, можно объединять различные базы данных. При внесении изменений в систему (учете новых параметров, создании новых видеограмм или даже подключении новых рабочих мест) необходимые преобразования можно выполнять без остановки ее работы. Это исключает потерю текущей информации с объекта.
Отображение информации
Важная функция MMI-программ - отображение информации из базы данных на экране компьютера. Выполнение этой функции обеспечивает подсистема визуализации, удобство работы с которой во многом определяет эффективность труда разработчика системы и пользователя. Имеющийся в FIX-пакетах фирмы Intellution инструментарий разработки экранных форм аналогичен представленному в графических пакетах для Windows. В распоряжении разработчика - большой набор примитивов, стандартных инструментов окрашивания, стилей, шрифтов. Элементы изображения можно видоизменять, накладывать один на другой и выравнивать. Допускается обмен битовыми массивами с другими работающими под Windows графическими пакетами (например, Paintbrush или PowerPoint). Любая часть изображения может быть увеличена до размеров экрана для облегчения работы с мелкими деталями. В процессе рисования допускается использовать неограниченное количество окон, которые напоминают обычные окна Windows. Вместе с пакетами поставляется расширяемая библиотека динамических элементов Dynamo, не только содержащая изображения сложных объектов (моторов, электрических элементов, насосов, кранов, бегунков, кнопок и пр.), но и позволяющая отображать их в динамике.
Параметры графических объектов (цвет, размер, положение и др.), представленных на экране компьютера, могут быть привязаны к некоторым элементам базы данных и будут динамически отображать текущие значения этих элементов. Для динамической привязки параметра достаточно щелкнуть мышью на выбранном графическом объекте, а затем в раскрывшемся списке указать нужный блок.
Архитектура системы
АСУ ТП строится в клиент-серверной архитектуре и формируется из узлов разного типа, размещенных на отдельных компьютерах и выполняющих ту или иную задачу по управлению технологическим процессом. Пакеты FIX позволяют создавать узлы четырех типов: SCADA, MMI, View Client и PlantTV. Узлы
SCADA и MMI являются серверными, а PlantTV и View Client - клиентскими. Серверные узлы, связанные с объектами через контроллеры, поддерживают функциональную базу данных реального времени. На клиентских узлах своей базы данных нет. Для считывания или записи информации они обращаются к серверным узлам. Такая распределенная архитектура гарантирует целостность данных и достоверность информации, поступающей на клиентский узел.
Серверные SCADA- и MMI-узлы различаются размером базы данных: для SCADA-узла ее объем не ограничен, в то время как MMI-узел имеет определенное число входных и выходных элементов (75, 150 или 300).
Узел View Client является рабочим местом диспетчера или оператора. С такого узла можно следить за состоянием процесса и управлять им. С узла PlantTV можно лишь просматривать информацию, которая поступает не только из базы данных реального времени, но и из других источников, например некоторой реляционной базы данных или видео-файлов.
Важным достоинством специализированных пакетов для разработки АСУ ТП является их высокая надежность, подтверждаемая в ходе всеобъемлющего тестирования, а также повседневной эксплуатацией в уже реализованных системах. Число работающих в различных отраслях промышленности (и не только за рубежом, но и в России) узлов FIX на сегодняшний день составляет около 60 000.
Для тех, кто помнит, какие усилия приходилось затрачивать на разработку АСУ ТП еще 10 лет назад, возможность приступить к подготовке проекта сразу после извлечения продукта из упаковочной коробки и его инсталляции покажется фантастической. Однако это реальность. Пакеты класса MMI или SCADA так же необходимы разработчику АСУ ТП, как компилятор программисту. Для овладения ими не требуется квалификация профессионального программиста, достаточно уметь работать с Windows. Благодаря этому после завершения проекта сопровождать и поддерживать его может сам заказчик.
С авторами статьи можно связаться по телефону: (095) 460-4144 или по E-mail: ialper@indusoft.msk.ru.
И. Альперович, И. Толмасская
