АСУ ТП

От обработки данных - к их интерпретации

В современных АСУ ТП обрабатывать поступающие данные помогают SCADA-системы (системы диспетчерского управления и сбора данных). Они получают, преобразуют и сохраняют данные, передают управляющие воздействия на объект, представляют информацию в визуальном виде и выполняют другие стандартные функции. Поведение любого звена системы управления должно быть однозначно и предсказуемо. Включенный в контур управления человек тоже должен действовать осознанно. В связи с этим разработчикам SCADA-систем при построении сценариев операторских диалогов следует принимать во внимание особенности человеческого восприятия информации при оценке состояния процесса. Наборы возможных состояний процесса описываются в пространстве технологических параметров, и чтобы идентифицировать каждое из них, необходимо проанализировать довольно сложную комбинацию условий. Желательно освободить пользователя от усилий по распознаванию технологического состояния, передав эти функции системе визуализации, которая будет представлять информацию в наглядном виде, размечая ее цветом, придавая объектам разную форму и размер и располагая их на экране в определенном порядке.

Рис 1. Простые объекты iFIX

По мере развития механизмов визуализации SCADA-систем появилась возможность отделить источники данных от способов их представления. Тем самым достигается мобильность системы управления, упрощается ее сопровождение и повышается надежность. Путем интерпретации одних и тех же данных по разным правилам, повторной применимости информационных правил к различным данным, а также комбинирования данных, способов интерпретации и отображения из них можно извлечь больше информации.

Интерпретация данных

Для передачи информации обычно используется тот или иной язык. В современных SCADA-пакетах интерпретация и наглядное представление данных выполняются при помощи так называемого “языка анимаций”. По сути, это пиктограммы, понятные без дополнительных пояснений и адекватные содержанию объекта. Однако помимо статического сообщения, анимация передает динамику изменения параметров. Средства промышленной анимации не стоят на месте, и уже можно сделать некоторые выводы об их развитии.

Рис. 2. Максимальный набор анимаций

Проследим, например, как усиливались возможности интерпретации данных, на примере пакетов фирмы Intellution, принадлежащей компании GE Fanuc International (www.gefanucautomation.com). С 1995 г. Intellution выпускает SCADA-пакет FIX32. Параллельно она подготовила еще один пакет - iFIX и с 1998 г. стала предлагать его потребителям в качестве основного. Главная цель этого перехода состояла в применении новых возможностей платформ Windows NT/2000/XP. Но наряду с использованием VBA, COM/ OPC, ActiveX, объектного интерфейса разработчика и других современных программных технологий были существенно усилены средства представления экранных образов.

Для отображения информации необходимо с каждой изменяющейся числовой величиной сопоставить четко различимый видимый атрибут объекта на экране. В FIX32 имеется ряд простых объектов с хорошо различимыми геометрическими формами: прямоугольник, овал, прямая и т. п. Кроме того, различать видимые объекты помогают их атрибуты - положение, размер, форма, цвет, стиль заполнения и т. д. Динамика процесса в SCADA-пакетах Intellution выражается с помощью связи видимого атрибута формы на рисунке с изменяющимся значением параметра объекта управления. Число возможных динамических связей зависит от типа визуализируемой формы. Максимальное количество анимируемых свойств в FIX32 имеют двумерные формы (например, у прямоугольника десять связей), минимальное - форма отображения данных. Однако из всех анимируемых свойств различных форм только два могут непосредственно выражать дискретные состояния - это цвет и видимость. Поскольку свойство видимости обладает лишь двумя значениями (объект либо видим, либо невидим), в FIX32 возможности выражения данных и событий в дискретном виде фактически ограничены цветом и бинарными состояниями.

Рис. 3. Табличное преобразование

В пакете iFIX выразительные средства отображения данных существенно пополнились новыми функциями. Так, в нем расширено число базовых образов за счет семейства скругленных объектов. Кроме того, добавлена принципиально новая возможность вставки элементов ActiveX (рис. 1). Кардинально увеличено количество динамических связей с источниками данных. Например, прямоугольник теперь имеет свыше 20 анимируемых свойств, т. е. по сравнению с предыдущей версией их число выросло в два с лишним раза (рис. 2).

Поскольку набор возможных оценок состояния контролируемого процесса, как правило, конечен, то особый интерес вызывают способы дискретного представления непрерывно изменяющихся данных. В iFIX добавлено три динамически изменяемых дискретных атрибута отображения: слой рисунка, на котором отображается объект (в iFIX 30 слоев), стиль штриховки объекта (восемь разных стилей) и возможность мигания другим цветом или стилем штриховки. Кроме того, введена анимация текстовых объектов, благодаря чему они могут выражать динамику процесса своими свойствами - отображаемой строкой, ее размером, цветом и шрифтом. Появился также ряд дополнительных анимаций для точечных рисунков (*.bmp) и введен простой механизм их динамической замены в соответствии с изменением значения некоторого источника данных.

Выше было упомянуто о количественном расширении анимаций относительно числа базовых образов и динамических связей. Наряду с этим в iFIX введены два качественных новшества - функции формульного и табличного преобразования данных. Благодаря первому нововведению любое логическое условие и любое событие, определяемое несколькими параметрами, можно представить одной формулой.

Второе существенное новшество - интервальное табличное преобразование (рис. 3) - является средством отображения непрерывно изменяющихся данных с некоторым конечным множеством чисел, текстовых строк или набором цветов. С помощью табличного преобразования все параметры видимых объектов, которые в FIX32 изменялись непрерывно (размер, положение на экране, угол поворота), в iFIX могут принимать дискретные значения и тем самым однозначно интерпретировать данные.

Чтобы эффективно управлять, необходимо не только видеть текущую информацию, но и прогнозировать развитие ситуации, а для этого надо хранить и анализировать историю процесса. В SCADA-системах с целью отображения краткосрочной и долгосрочной истории применяются графики трендов реального времени и трендов истории, где рассматриваемый параметр отображается в виде функции от времени. В пакете iFIX все экранные формы (в частности, графики) являются объектами, имеющими определенные свойства, методы и события. Благодаря этому значение отслеживаемой графической величины, которое доступно как свойство графика, можно связать с анимируемым свойством некоторого другого объекта, например с цветом прямоугольника. В результате видимый образ свойства объекта (цвет прямоугольника) будет определяться выбранным значением параметра на графике, что позволит этот график не только отобразить, но и проанализировать его значение.

Инструмент интерпретации данных

Чтобы читать сообщения SCADA-пакетов, достаточно понимать предметную технологическую область, так как язык анимаций максимально к ней приближен. Грамотным “читателем” здесь является практически любой специалист по отображаемому процессу. Но чтобы на этом языке еще и “писать”, т. е. создавать экранные формы анимации, надо иметь дополнительные навыки. SCADA-“писателями” обычно выступают системные интеграторы, создающие SCADA-проекты. Но и здесь положение меняется. Широкое распространение ОС Microsoft Windows и усиленное стремление разработчиков SCADA-систем сделать их интуитивно понятными привели к тому, что появились новые возможности настройки программ для информационной обработки данных. Теперь это без труда делают сами пользователи на своем рабочем месте. Ниже речь уже пойдет только о пакете iFIX, в котором такие свойства реализованы наиболее полно.

Инженерная информация обычно подразделяется на нормативно-справочную и оперативную. Первая зачастую содержится в офисных документах и реляционных базах данных. Экранные формы iFIX создаются в режиме конфигурирования программной среды WorkSpace. По внешнему виду она похожа на проводник MS Windows и отображает дерево проекта, на котором размещаются документы Word, таблицы Excel, файлы с экранными формами iFIX, различные приложения, справочная информация и т. д. Работать с файлами Word или Excel можно прямо из дерева проекта WorkSpace. При вызове какого-либо документа и переходе в его окно меню MS Word или Excel появится взамен меню WorkSpace. Кроме того, WorkSpace может отображать отчеты, подготовленные не только в Excel, но и в других программах. Примеры такого рода есть в демонстрационной системе iFIX 3.0, где показаны отчеты, сделанные с помощью специального пакета Crystal Reports фирмы Crystal Decisions (www.crystaldecisions.com).

Доступ к реляционным базам данных реализуется по протоколам ODBC. Он поддерживает язык запросов SQL, который позволяет делать выборки из разных таблиц по различным признакам. Развитием этого протокола является спецификация Microsoft OLE DB - набор объектно-ориентированных интерфейсов, обеспечивающих доступ к данным независимо от их формата. Хотя на первый взгляд это не кажется таким уж элементарным, на самом деле получить данные из таких источников в iFIX не так уж и сложно - для этого достаточно воспользоваться группой объектов VisiconX и при помощи языка SQL в интерактивном диалоге настроить выборку данных. Фактически эта работа сводится к заполнению стандартной формы привязки и выборки данных из реляционного хранилища.

Оперативная информация поступает от программируемых логических контроллеров, из баз данных реального времени SCADA-систем или из других источников, которые могут быть весьма разнородными. Без универсализации обращения к ним задача визуализации данных была бы довольно сложной. Однако для платформы MS Windows сегодня есть общий ключ ко всем современным источникам оперативных данных - протокол ОРС (www.opcfoundation.org), являющийся стандартом для обмена данными между приложениями в реальном времени. Он определяет набор интерфейсов, методов и событий. При этом поддерживается клиент-серверная архитектура, когда один из участников обмена выступает в роли сервера, а другой - в роли клиента, запрашивающего эти данные; реализованы также передача значения с временной меткой и другие возможности.

Современные технологические источники данных обычно обеспечивают поддержку протоколов OLE DB и/или ОРС. Первый протокол используется для выборки статического набора данных путем запроса на языке SQL, второй - для оперативного обновления потока данных. Серверы для них предлагаются самой фирмой-изготовителем или третьими компаниями. Большой список таких серверов представлен на Web-страницах компаний KepWare (www.kepware.com), Matrikon (www.matrikon.com) и SoftWare ToolBox (www.toolboxopc.com).

Информационная картина процесса строится в два этапа. Сначала определяется способ графического представления объекта, формирующегося из базовых элементарных символов с определенными атрибутами. Затем динамически изменяемые атрибуты привязываются к источникам данных. Все эти операции выполняются на основании выбора из интуитивно понятного меню или в процессе интерактивного диалога. При выборе способа информационной интерпретации данных большую помощь оказывают специальные мастера. Основной диалог анимаций (в iFIX - восемь анимационных экспертов) позволяет настроить визуальные свойства объекта - цвет, положение, размер - несколькими щелчками мыши.

Для анализа и отображения данных удобно применять готовые компоненты. Важно, чтобы был механизм их включения в систему отображения и настройки обмена данными с ними. Таким стандартным механизмом соединения независимых продуктов на платформе Microsoft являются ActiveX-объекты - современные средства стыковки программных компонентов. WorkSpace, будучи ActiveX-контейнером, поддерживает вставку таких объектов в экранную форму и их выполнение. Эти объекты инкапсулируют определенные функции, которые легко можно применить для анализа технологических процессов. Имеется большое количество сайтов с ActiveX-компонентами. Например, на странице ComponentSource (www.componentsource.com) перечислено несколько десятков категорий объектов, пригодных для использования в ActiveX-контейнерах. Здесь представлены CAD-компоненты, графики, компоненты трехмерного моделирования, искусственного интеллекта, экспертные системы, объекты для статистического анализа и т. д. Современные средства программирования позволяют сравнительно просто создавать собственные ActiveX-компоненты.

Относительная простота, универсальность привязки к источникам данных, а также широкий арсенал преобразования данных в легко воспринимаемую наглядную информацию превращают SCADA-пакет в инженерный инструмент управления производственным процессом, его контроля и анализа. Для российского пользователя немаловажен тот факт, что имеется версия iFIX на русском языке. В ней переведены все меню, диалоги и системные сообщения, а также оперативная справка.

Уровни обработки данных

В SCADA-системах можно выделить три логических уровня работы с данными и информацией. Первый уровень составляют источники данных, к которым относятся программируемые логические контроллеры, реляционные базы данных, базы данных реального времени SCADA-систем или хранилища исторической информации. Здесь обычно содержатся данные о процессах в исходном виде, т. е. в том, в каком они приходят с объекта управления. В основном это числовые данные, но могут быть и текстовые строки или бинарные объекты.

Второй уровень образуют правила информационной обработки данных и трактовки получаемых величин. Они отражают содержание данных, переводя числовые значения в текстовые строки, видимые атрибуты объектов или графики. Правила могут включать характеристические функции процесса, многофакторные формулы и логические условия, содержать списки критических параметров и т. д.

На третьем уровне располагаются объекты, подготовленные к отображению данных по определенным правилам. Обычно к ним относятся схемы, изображающие технологический процесс. Эти схемы могут быть обобщенными или построенными для конкретных технологических процессов.

Информационные правила

Правила извлечения информации из данных можно разделить на три категории: перечисление данных, существенных для той или иной стадии процесса, определение формы их представления и интерпретация значений с технологической точки зрения. Обычно в SCADA-системах формулировка таких правил заключена в экранных формах. Однако источники данных и их представление при этом не разделены. Отделить информационные правила от данных можно при помощи механизмов, встроенных в iFIX, - альбомов “Динамо”, таблиц преобразования данных и файлов групп диаграмм.

“Динамо” (Dynamo) - это видимые объекты с заданными правилами анимации и неопределенными источниками данных. Они хранятся в отдельных файлах (альбомах) и создаются при помощи специального мастера. При этом средствами конфигурирования рисунков WorkSpace генерируется некоторый визуальный объект с анимированными по определенным правилам видимыми атрибутами. Применяемый к такому объекту мастер “Динамо” отделяет источники данных от правил анимации. При создании “Динамо” можно задать пояснения с описанием анимаций, т. е. связать с правилами отображения данных соответствующее приглашение пользователю, которое появится при перемещении объекта из альбома “Динамо” в экранную форму.

Совместно просматриваемые графики, настройки периода времени и других параметров просмотра также образуют информационные правила, определяющие, что нужно будет смотреть в исторической перспективе. Пакет iFIX дает возможность запоминать настройки этих графиков при помощи мастера групп диаграмм, позволяющего создавать и редактировать просматриваемые группы графиков реального времени и истории как на этапе разработки рисунка, так и при его заполнении. Список графиков просмотра сохраняется в текстовом файле формата CSV, который можно редактировать, печатать и копировать. В качестве источника для отображения можно использовать непосредственно исходные данные либо функции от них. Путем конфигурирования настраиваются стили линий графиков, периоды отображения на экране и интервалы выбора точек для истории; кроме того, для истории задается период выборки из архива и другие необходимые параметры просмотра трендов.

Один пример информационных правил

В заключение в качестве простого примера рассмотрим обычный светофор. Эксперт-дизайнер может представить его в виде “Динамо”. Он его нарисует, укажет возможные цвета и порядок их расположения. Применяя данный объект в дальнейшем, пользователь вставляет его в некий рисунок iFIX и привязывает к источнику данных, генерирующему три значения. В результате получается наглядное представление светофора, в котором воплощено знание эксперта о нем. Есть и другой способ представления правил - сохранить в таблице значения источника данных, преобразованные в три светофорных цвета. Теперь с помощью этой таблицы можно анимировать любое изображение светофора. Наконец, для анализа ситуации на перекрестке могут понадобиться данные о работе трех соседних светофоров. Специалист по ДТП укажет, какие именно источники им соответствуют. Эти источники данных и настройки их просмотра в виде графиков сохраняются в файле групп диаграмм. Открыв его в своем рисунке, пользователь увидит работу нужных светофоров, как их указал специалист.

Кстати, на примере светофора можно видеть особенности интерпретации данных. Данные обычно не дублируются, а видимая информация, как правило, избыточна, т. е. одна входная величина отображается разными способами. Так, у светофора красный, желтый и зеленый сигналы всегда располагаются сверху вниз, что очень четко воспринимается водителями. Я знаю одного дальтоника - автолюбителя с большим стажем, который определяет сигнал светофора по расположению. Каким образом ему удалось получить медицинскую справку, - это уже совсем другая тема.