CC BY
330
- © Ю.Э. Реймген, 2014
УДК 621.37/39:658.011.56
Ю.Э. Реймген
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ. SCADA СИСТЕМА. ЧАСТЬ I
Описано, что такое SCADA система, применение ее и работа на базе устройств фирмы SIEMENS, описаны структура и состав SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS. Структура и состав систем управления, разработан алгоритм определенной системы управления по принципам программирования на STEP7 - языке программирования промышленных контроллеров SIMATIC S7 фирмы SIEMENS, описана программируемая среда STEP7, показано как работает этот алгоритм и показана стендовая отладка системы управления.
Ключевые слова: АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами), SCADA (диспетчерское управление и сбор данных), человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), контроллер-регулятор, управляющее устройство, программируемый логический контроллер (ПЛК), центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ).
1. Ознакомление со SCADA-системой
1.1. SCADA
SCADA (аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) [1] - программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т.д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++, Step7), так и сгенерирован в среде проектирования.
Иногда БСАОА-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие БСАОА-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин БоЙЬодю.
Термин БСАОА имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание БСАОА как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под БСАОА-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина БСАОА более характерно для раздела телеметрия.
Телеметрия, телеизмерение (от др.-греч. «далеко» + «измеряю») - совокупность технологий, позволяющая производить удаленные измерения и сбор информации для предоставления оператору или пользователю, составная часть телемеханики.
Значение термина БСАОА претерпело изменения вместе с развитием
технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 1980-е гг. под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 1990-х гг. термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.
Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) (англ. Human machine interface, HMI) - широкое понятие, охватывающее инженерные решения, обеспечивающие взаимодействие человека-оператора с управляемыми им машинами.
1.2. Основные задачи, решаемые SCADA-системами
SCADA-системы решают следующие задачи:
• Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.
• Обработка информации в реальном времени.
• Логическое управление.
• Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
• Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
• Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
• Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
• Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.
• Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т.д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.
MES (от англ. Manufacturing Execution System, производственная испол-
нительная система) - специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какого-либо производства. С 2004 г. термин расшифровывается как англ. Manufacturing Enterprise Solutions - корпоративные системы управления производством.
1.3. Основные компоненты SCADA
SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы:
• Драйверы или серверы ввода-вывода - программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счетчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
• Система реального времени -программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
• Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) -инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
• Система логического управления - программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
• База данных реального времени - программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.
• Система управления тревогами -программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
• Генератор отчетов - программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
• Внешние интерфейсы - стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE и т.д.
OPC (OLE for Process Control) -семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами.
DDE (Dynamic Data Exchange) - механизм взаимодействия приложений в операционных системах Microsoft Windows.
1.4. Концепции систем
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам контроля и управления всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Большинство управляющих воздействий выполняется автоматически RTU или ПЛК.
RTU (Remote Terminal Unit) - удаленное оконечное устройство. В SCADA-системах под этим сокращением обычно понимают контроллер, находящийся на объекте контроля и управления, выполняющий непосредственный сбор данных с объекта и выдачу команд управления. RTU является оконечным устройством в системе сбора данных, т.е. оно подключено к окончанию канала связи с центральным устройством системы.
Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается RTU или PLC, а SCADA управляет режимами работы. Например, PLC может управлять потоком охлаждающей воды внутри части производственного процесса, а SCADA система может позволить операторам изменять уставку для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные емкости, а так же следить за тревожными
сообщениями (алармами), такими как -потеря потока и высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с обратной связью проходит через RTU или ПЛК, в то время как SCADA система контролирует полное выполнение цикла.
Сбор данных начинается в RTU или на уровне PLC и включает - показания измерительного прибора. Далее данные собираются и форматируются таким способом, чтобы оператор диспетчерской, используя HMI мог принять контролирующие решения - корректировать или прервать стандартное управление средствами RTU/ПЛК. Данные могут также быть записаны в архив для построения трендов и другой аналитической обработки накопленных данных.
2. Ознакомление с учебными стендами компании Siemens
2.1. Стенд № 1 - логический контроллер марки S7-300
Контроллер [3] (англ. controller -регулятор, управляющее устройство) - устройство управления в электронике и вычислительной технике.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) (англ. Programmable Logic Controller, PLC) или программируемый контроллер - электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, выступает его автономное использование, без серьезного обслуживания и практически без вмешательства человека.
Контроллер S7-300 состоит из: блока питания, ведущее устройство: например CPU313-2DP, соединением
между CPU и устройством программирования PC через MPI, PROFIBUS интерфейсы, модулей ввода и вывода (рис. 1).
Блок питания - вторичный источник электропитания (блок питания, БП), предназначенный для снабжения узлов компьютера или контроллера электрической энергией постоянного тока, а также преобразования сетевого напряжения до заданных значений.
Центральный процессор
(ЦП, или центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно - CPU, дословно - центральное обрабатывающее устройство) - электронный блок либо микросхема - исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
MPI, PROFIBUS интерфейсы -представляют собой совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.
MPI (многоточечный) интерфейс -интерфейс с устройством программирования или памятью оператора или для обмена данными в подсистеме MPI.
PROFIBUS см. ниже.
Полевым вводом/выводом (field IO) называется интерфейс для подключения измерительных приборов и исполнительных механизмов (обобщенно называемых полевыми устройствами) к системе управления технологическим процессом.
К узлам полевого ввода/вывода подключаются как датчики, измеряющие необходимые параметры технологического процесса, так и исполнительные механизмы, с помощью которых система управления может влиять на ход процесса.
Компактные slave-yc тройства: ьв пример, модули ввода/вывода ET 2000-160 ! /16DO
Сеть PROFEUS-DP между i nia star-ус тройством и siave-ус тройства^ и
Модул>ные slave-ус тройства нагример. ET 200 М-Ml 53
Непосредственное соединение ме*ду CPU и устройством программирования / PC через MPI
Ведущэе устройство (masfer): шгример: CPU3I5-2DP
Рис. 1
2.2. Стенд № 2 - ET-200S. Децентрализованная периферия, связанная с сетью PROFIBUS-DP между master устройством и slave-устройством
Устройства децентрализованной периферии. При создании системы входы и выходы процесса часто размещаются централизованно в программируемом логическом контроллере. Если входы и выходы находятся на значительном расстоянии от программируемого логического контроллера, то проводка может оказаться очень протяженной и труднообозримой, а электромагнитные помехи могут уменьшить надежность системы. В таких системах часто целесообразно использовать устройства децентрализованной периферии:
• CPU контроллера расположен в центральном пункте.
• Периферийные устройства (входы и выходы) работают децентрализовано на месте.
• Высокопроизводительная система PROFIBUS-DP с ее высокой скоростью передачи обеспечивает быстрый и надежный обмен информацией между CPU контроллера и периферийными устройствами.
• Уменьшаются затраты на монтаж, так как требуется меньше кабелей.
Физически PROFIBUS-DP - это или электрическая сеть на основе экранированной 2-проводной линии, или оптическая сеть на основе волоконно-оптического кабеля.
Протокол передачи «DP» обеспечивает быстрый, циклический обмен данными между CPU контроллера и периферийными устройствами.
2.3. Стенд № 3 - преобразователь частоты
Преобразователь частоты предназначены для регулирования трехфазных электродвигателей. Отдельные поставляемые модели имеют диапазон мощностей 120 Вт при однофазном входе и до 75 кВт при трехфазном входе. Преобразователи оснащены микропроцессорной системой управления и используют самые современные технологии с IGBT модулями - транзисторами (Insulated Gate Bipolar Transistor = биполярный транзистор с изолированным затвором). Вследствие этого преобразователи надежны и разнообразны. Оригинальный способ широтно-импульсной модуляции с выбором частоты комму-
Доступные области памяти, их описание и формат доступа
Областг. нймя ги Функция Во jmuvmiuo» доступе
Входные и выходные ш/ теменные
Область отображения входов CKf>paiueiше влэердам через область отображения входов El .5(11.5} биг ЕВ2 (IB2) байт EW4 < TW4) слово FD4 (ID4 ) двойное слово
Область отображения ВЫХОДОВ ВывОд Зиа<£ыий ВЫХОДОВ и область отображения выходов А8.5 (Q8.5) бит ABS (QB8) байт AWS (QW8) слово AD8( ODS ) двойное слово
Внутренние переменные колтгхм;кри
Меркеры Ben ом огатеяы i ые стал rieciaie переменные программы для цромежуточно го храцецня информации M 10.6 бнт МВ4 байт MW20 слово MD36 двойное слово
тации дает возможность бесшумной работы электродвигателя. Обширные функции защиты обеспечивают эффективную защиту преобразователя и электродвигателя.
3. Ознакомление с программой SIMATIC STEP 7
Новая система автоматизации SIMATIC [4, 7] объединяет все подсистемы, используемые в решении задач автоматизации, - от полевого уровня до управления процессом - в рамках однородной системной архитектуры в гомогенное целое. Это достигается с помощью интегрированных конфигурирования и программирования, управления данными и коммуникации программируемыми контроллерами (SIMATIC S7), компьютерами автоматизации (SIMATIC М7) и системами управления (SIMATIC С 7). Всем нуждам автоматизации процесса и производства отвечают три серии программируемых контроллеров: S7-200 - компактные контроллеры («микро-PLC»), S7-300 и S7-400 -контроллеры с возможностью модульного расширения, предназначенные для применения как в системах с ми-
нимальными требованиями, так в высокопроизводительных системах.
STEP 7, дальнейшее развитие STEP 5, является программным обеспечением разработки программ для нового SIMATIC. С целью использования преимущества знакомого пользовательского интерфейса стандартных ПК (PC) (окна, операции с мышью) в качестве операционной системы выбрана Microsoft Windows 95/98 или Windows NT.
3.1. Программируемая среда STEP7
Программная среда STEP 7 имеет три языка программирования. Это LAD, STL и FBD. Проект будем программировать на языке LAD [2] (рис. 2).
• Язык программирования LAD
Применяется исключительно при программировании промышленных логических контроллеров и был создан для простого перехода от релей-но-контакторных схем, к системам управления, построенных на логических контроллерах.
Программирование заключается в прорисовке релейно-контакторной схемы устройства, в которой, в об-
щем виде контакты являются входами, а катушки реле выходами.
• Язык программирования FBD
Тоже графический язык и тоже
применяется для программирования только PLC.
Был создан для быстрого перехода с цифровых систем логического управления на логические контроллеры, а потому больше подойдет электронщикам.
Основан на графическом отображении логических элементов «И», «ИЛИ», «НЕ» и прочих для решения конкретной задачи управления.
• Язык программирования STL
STL - это язык низкого уровня разработанный Siemens специально для программирования контроллеров Simatic. Разработан он был на основе языка IL, который в свою очередь очень близок с ассемблером.
Этот язык уже в полной мере позволяет использовать математические вычисления, а потому чаще применяется при написании сложных программ.
Основан язык на последовательном выполнении инструкций (кода), а написание программы на этом языке представляет собой описание операторов и переменных.
3.2. Область памяти
Типы данных BOOL, BYTE, WORD, DWORD, CHAR.
Переменная типа BOOL представляет собой значение бита (например, входа 11.0). Переменные типов данных BYTE, WORD и DWORD представляют собой последовательности битов, состоящие соответственно из 8, 16 и 32 битов; при этом отдельные биты не проверяются.
4. Управление автоматизированным процессом в SCADA-системе WINCC
WinCC [5] - первый в мире IHMI (Integrated Human Machine Interface -
Интегрированный Человеко-машинный Интерфейс) - программная система, которая полностью интегрирует Ваше программное обеспечение для управления установкой в Ваш автоматизируемый процесс. Его дружественные к пользователю компоненты автоматизации предлагают беспроблемную интеграцию в Ваши новые или уже существующие установки. WinCC, комбинируют современную архитектуру приложений Windows NT с простотой использования графической разработки программ. Он предоставляет все необходимые функции для построения полного мониторинга процесса и решения задач управления.
WinCC содержит:
• Graphics - создание представления установки на Вашем экран.
• Archiving - запись со штампом времени данных/событий в Базу данных SQL.
• Reports - генерация отчетов на основе запрашиваемых данных.
• Data Management - определение и сбор данных по всей установке WinCC Runtime.
• Предоставляет оператору на уровне установки или в пункте управления интерфейс к приложениям производственного уровня.
• Подробнее Рабочее (Run-Time) программное обеспечение охватывает заранее запрограммированные решения, которые могут быть вызваны программой пользователя. Рабочее программное обеспечение непосредственно встроенов решение задачи автоматизации. Оно включает в себя:
• Регуляторы для SIMATIC S7, например, стандартный, модульный и нечеткий регулятор.
• Инструментальные средства для связи программируемых контроллеров с приложениями Windows.
• Операционную систему реального времени для SIMATIC M7
(Окончание в ГИАБ № 9).
1. Википедия, [электронный источник]. http://ru.wikipedia.org/
2. Ганс Бергер. Автоматизация с помощью программ STEP7 LAD и FBD. - Siemens AG, 2001, 605 с.
3. Контактный план для S7-300 и S7-400 программирования (справочное руководство). - Siemens AG, 2004, 220 с.
4. Методический материал по STEP7 (pdf). [электронный источник]. http://kurs.znate.ru/ docs/index-159863.html.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Реймген Юлия Эдуардовна - студентка, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: [email protected].
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. SCADA система WinCC (учебное пособие) [электронный источник]. http:// zet-info.ucoz.ru/load/uchebnaja_literatura/ obuchajushhij_uchebnyj_kurs_po_scada_ sisteme_simatic_wincc_v7_0/6-1-0-260.
6. Simatic. Работа со STEP7 первые шаги. [электронный источник]. http://nashaucheba. ru/v18293/siemens_simatic/step_7_v_5.3
7. STEP7 - язык программирования промышленных контроллеров (учебное пособие Новокузнецк, 2009. - 45 с.). ЕШЗ
UDC 621.37/39:658.011.56
AUTOMATED CONTROL SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES. SCADA SYSTEM. PART I
Rejmgen Yu.E., Student,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: [email protected].
In this lecture describes what SCADA system, its application and operation of devices based on the company SIEMENS, describes the structure and composition of the SIMATIC S7-300 from SIEMENS. The structure and composition of the control systems, developed an algorithm for a particular management system based on principles of programming in STEP7 - programming language for industrial controllers SIMATIC S7 company SIEMENS, described Wednesday programmable STEP7, shows how this algorithm and shows the bench debug control system.
Key words: automated control systems of technological processes, Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA), Human Machine Interface (HMI), Controller, Programmable Logic Controller (PLC), Central Processing Unit (CPU).
REFERENCES
1. Wikipedia, available at: http://ru.wikipedia.org/
2. Gans Berger. Avtomatizacija s pomoshh'ju programm STEP7 LAD i FBD (Automating with STEP7 LAD and FBD), Siemens AG, 2001, 605 p.
3. Kontaktnyj plan dlja S7-300 i S7-400 programmirovanija (spravochnoe rukovodstvo) (Statement list for S7-300 and S7-400 programming (reference manual)), Siemens AG, 2004, 220 p.
4. Metodicheskij material po STEP7 (pdf) (Guidelines on STEP7 (pdf)), available at: http://kurs.znate.ru/ docs/index-159863.html.
5. SCADA sistema WinCC (uchebnoe posobie) (WinCC SCADA system (tutorial), available at: http:// zet-info.ucoz.ru/load/uchebnaja_literatura/obuchajushhij_uchebnyj_kurs_po_scada_sisteme_simatic_ wincc_v7_0/6-1-0-260.
6. Simatic. Rabota so STEP7 pervye shagi (Simatic. Programming with STEP7. The beginnings), available at: http: //nashaucheba.ru/v18293/siemens_simatic/step_7_v_5.3
7. STEP7 - jazyk programmirovanija promyshlennyh kontrollerov (uchebnoe posobie) (SSTEP7 - the programming language for industrial control systems (tutorial)).
