CC BY
10
ВЕСТНИК ПНИПУ
2023 Химическая технология и биотехнология № 2
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
DOI: 10.15593/2224-9400/2023.2.08 Научная статья
УДК 65.011.56
И.В. Адищев, И.А. Вялых
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОТКРЫТОМ ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ
Автоматизация технологических процессов - совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.
Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создается автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП).
В настоящее время ни одна отрасль промышленного производства не обходится без внедрения АСУ ТП.
SCADA (англ. Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) - 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, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т.д.
В статье представлены общие сведения об интегрированных системах управления производством, приводится краткий сравнительный анализ отечественных и зарубежных SCADA систем по одним из самых важных пунктов, по мнению авторов.
Дан анализ следующих SCADA систем: Trace mode; Master-SCADA 3.X; КРУГ-2000; SIMP Light; SIMPLE-SCADA; Rapid SCADA; WinCC; InTouch.
В SCADA системах, которыми удалось воспользоваться, собрана схема «Water Tank Level Control» и с помощью написанного на Python OPC UA сервера подключена к симулятору химических процессов с открытым исходным кодом DWSIM. Все схемы и код для сервера содержатся в тексте статьи.
Сделаны выводы об анализируемых системах.
На основе данной статьи авторами предлагается ввести в учебный процесс кафедры ОАХП изучение одной или нескольких SCADA систем.
Ключевые слова: автоматизация, АСУ ТП, SCADA, OPC UA, DWSIM.
129
I.V. Adishchev, I.A. Vialykh
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
THE CONCEPT OF CREATING COMPUTER SIMULATOR COMPLEXES BASED ON OPEN SOURCE SOFTWARE
Automation of technological processes is a set of methods and tools designed to implement a system or systems that allow the management of the technological process itself without direct human involvement, or leaving the right to a man to make the most important decisions.
As a rule, as a result of the automation of technological process, an APCS is created.
Currently, no branch of industrial production does not do without the introduction of automated process control systems (APCS).
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) is a software package designed for the development or maintenance of real-time data collection, processing, display and archiving of information on the monitoring or control object. SCADA can be part of the APCS, ASKUE, environmental monitoring system, scientific experiment, building automation, etc.
This article presents general information about integrated production control systems, provides a brief comparative analysis of domestic and foreign SCADA systems on one of the most important points, according to the authors.
Analyzed SCADA systems:
Trace mode; Master-SCADA 3.X; KRUG-2000; SIMP Light; SIMPLE-SCADA; Rapid SCADA; WinCC; InTouch.
In SCADA systems, which we were able to use, the scheme "Water Tank Level Control" is assembled and using the Python written OPC UA server, connected to the chemical processes simulator with open source code DWSIM. All schemes and code for the server are contained in the text of the article.
Conclusions about the analyzed systems are made.
Based on this article, the authors propose to introduce the study of one or more SCADA systems in the educational process of the department of OPC department.
Keywords: automation, APCS, SCADA, OPC UA, DWSIM.
В настоящее время цифровые технологии активно развиваются, растет степень внедрения компьютерных разработок, уровень цифровизации и автоматизации промышленных предприятий [1-3]. В результате растет актуальность в приобретении умений и навыков для работы с такими системами у персонала [4-6]. В связи с этим повышается спрос на создание и внедрение компьютерных тренажеров, которые направлены на совершенствование уровня профессиональной подготовки обучаемых [7-9]. Также современные реалии вынуждают зарубежных поставщиков покидать российский рынок, поэтому растет потребность в импортозамещении продукции.
130
На производстве наиболее распространенная система управления состоит из БСЛОЛ системы, среды программирования контроллеров, контроллеров и объектов управления [10]. Рассмотрим систему управления производством, представленную на рис. 1.
Рис. 1. Систему управления производством
Объектами управления в данной системе выступают полевые устройства, например датчики, клапана, насосы.
Контроллеры запрограммированы на регулирование процессов производства.
БСЛВЛ система содержит мнемосхему производства.
Чтобы развить навыки и умения для работы в системе, необходимо создавать тренажерные комплексы, которые не затронут производственный процесс и будут достаточно схожи с ним [11]. На рис. 2 представлена схема тренажерного комплекса.
Рис. 2. Схема тренажерного комплекса
131
Обзор SCADA систем
SCADA система Производитель Бесплатная лицензия ОРС Обучающие видеодокументы WEB-интер-фейс Журнал действий оператора
Trace mode AdAstra, Россия Бесплатная инструментальная система SCADA TRACE MODE 6.09 на 64000 каналов. Она позволит подключиться к контроллеру, сделать операторский интерфейс, архивы, алармы, тренды [4] В состав программы входят встроенные драйверы для более чем 2785 ПЖ и УСО. Все драйверы поставляются сразу и бесплатно. Не нужно покупать ОРС-сервер. Не использует устаревшие стандарты ОРС и DCOM в качестве внутренних интерфейсов Есть Есть Есть
Master-SCADA 3.X ИнСАТ, Россия Полнофункциональная интегрированная среда разработки и управления с поддержкой всех возможностей системы. Время работы в режиме исполнения 1 ч [13] Поддержка ОРС DA, ОРС UA серверов Есть Есть, но не встроенный Есть
Продолжение таблицы
OJ OJ
SCADA система Производитель Бесплатная лицензия ОРС Обучающие видеодокументы WEB-интер-фейс Журнал действий оператора
КРУГ- 2000 КРУГ, Россия Trial-версия «Быстрый Старт». Позволяет узнать: - какие компоненты являются основными в структуре программного обеспечения SCADA «КРУГ-2000» и для чего они предназначены; - какие этапы необходимо пройти для создания АСУ ТП на базе SCADA «КРУГ-2000»; - как создать базу данных реального времени и графический интерфейс оператора простой АСУ ТП; - как получить технологические данные «нижнего уровня», используя ОРС-клиент SCADA «КРУГ-2000»; - как настроить станцию оператора и запустить АСУ ТП на выполнение, в т.ч. в полнофункциональном режиме реального опроса источников данных на 120 точек ввода/вывода (120 запусков по 1ч). Поддержка DA/HDA серверов Есть Есть, идет как дополнительное ПО, похоже платное. Называется «WEB-контроль для SCADA КРУГ-2000» Есть
9
Со
Cl/
а я я
то §
кЭ я
Чз то я а
^з о
Сй
я а о 3
^з о-
О ^3
о
С\ то
Cs
а то Л то я я я
Продолжение таблицы
tSJ ta
SCADA система
Производитель
Бесплатная лицензия
ОРС
Обучающие видеодокументы
WEB-интер-фейс
Журнал действий оператора
КРУГ-
2000
КРУГ, Россия
Данного функционала достаточно, чтобы разработать несложную АСУ ТП и самому опробовать в реальной работе все возможности 8САБА «КРУГ-2000». Проект, разработанный в Тпа1-версии, полностью совместим с коммерческой версией 8САБА КРУГ-2000 Г141
SIMP Light
Симп Лайт, Россия
Ограничения FREE версии программы:
32 канала ввода/вывода Клиент-серверная архитектура не поддерживается, т.е. SIMP Light работает в режиме локальной станции сбора данных. Ограничены возможности экспорта данных (только первые 100 значений) [15]
Поддержка ОРС DA/HDA, ОРС UA серверов с любых устройств, поддерживающих протокол MODBUS (TCP, RTU, ASCII), а также возможность создавать собственные, свободно настраиваемые виртуальные каналы (с программируемой логикой работы). В бесплатной версии доступны только 8 тегов
Есть
Есть
Есть
Окончание таблицы
OJ 'ji
SC ADA система Производитель Бесплатная лицензия ОРС Обучающие видеодокументы WEB-интер-фейс Журнал действий оператора
SIMPLE-SCADA МПС Софт, Россия Версия с базовым функционалом, 64 тега, один клиент в комплекте, ограничены скрипты. Полнофункциональная версия, ограниченная 1 ч непрерывной работы сервера. После перезапуска можно работать еще 1 ч и т.д. [16] Поддержка ОРС DA, ОРС UA серверов. Есть Есть Есть
Rapid SCADA ООО «Рапид Софтвэа» Нет ограничений по тегам и времени пользования. Присутствуют коммерческие модули. Поддержка ОРС UA серверов. Есть Есть Есть
WinCC Siemens, Германия Есть Поддержка ОРС DA/HDA/UA, ОРС А&Е [171. Есть Есть Есть
InTouch Wonderware, США ДЕМО лицензия AVEVA Development Studio (System Platform). ДЕМО лицензия AVEVA InTouch Edge (Machine Edition). ДЕМО лицензия AVEVA BI Gateway (Intelligence). ДЕМО лицензия AVEVA WorkTasks (Skelta BPM). ДЕМО лицензия Citect (AVEVA Plant SCADA) [181. Есть Есть Есть Есть
9
Со
Ci/
а ä к
то §
кЭ ä
Чз то ä а
^з о
Ой Ä а о 3
^з о-
О ^3
о
С\ то
CS
а то •с то Ä К К
Объектами управления в данной схеме выступает математическая модель, созданная в приложении для моделирования технологических процессов.
OPC сервер содержит в себе точки для соединения SCADA системы и математической модели.
SCADA система содержит мнемосхему производства.
В таблице дан обзор SCADA систем.
Проанализированные SCADA системы российского производства содержат в себе все необходимые функции для управления производством. Выбраны несколько систем для дальнейшего создания тренажерного комплекса.
Разработка тренажера. Для создания полноценного тренажера необходимы: SCADA система, OPC сервер, математическая модель.
Математическая модель создана в приложении для моделирования технологических процессов DWSIM. Данное приложение полностью покрывает диапазон необходимых для выполнения задач, а именно создание гидродинамического процесса. На рис. 3 показана схема «Water Tank Level Control», собранная в DWSIM [19].
Рис. 3. Схема «Water Tank Level Control», собранная в DWSIM
OPC сервер написан на языке Python [20]. Сервер создан для подключения SCADA системы и математической модели. На сервере созданы точки для каждого передаваемого значения.
Выбраны SCADA системы для создания тренажера. На рис. 4 показана схема «Water Tank Level Control», собранная в MasterSCADA.
136
Dynamic Simulation - Water Tank Level Control
W" _
i
Opening 50.00% I ^Ит^ГТИ
il
H 0.00 —
iffl
Рис. 4. Схема «Water Tank Level Control», собранная в MasterSCADA
На рис. 5 показана схема «Water Tank Level Control», собранная в Simple SCADA.
Рис. 5. Схема «Water Tank Level Control», собранная в Simple SCADA
На рис. 6 показана схема «Water Tank Level Control», собранная в SIMP Light SCADA.
v-02_0penng 31.82%
J
137
Рис. 6. Схема «Water Tank Level Control», собранная в SIMP Light SCADA
Выводы. После ухода зарубежных вендоров импортозамещение стало очень актуально. На замену зарубежным SCADA системам пришли отечественные аналоги, не уступающим по функциональности.
Что касается обучения, отечественные SCADA системы показали себя с лучшей стороны, у большинства присутствует ДЕМО версия.
На основе данного анализа авторами предлагается ввести в учебный процесс кафедры ОАХП работу с отечественными SCADA системами.
Список литературы
1. Луков Д.К. Автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). - Иваново: Олимп, 2019. - 160 с.
2. Втюрин В.А. Основы АСУ ТП. - М.: Высшая школа, 2006. - 154 с.
3. Интегрированные системы проектирования и управления: SCADA-системы: учеб. пособие / И.А. Елизаров, А.А. Третьяков, А.Н. Пчелинцев [и др.]. -Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2015. - 160 с.
4. TRACE MODE: сайт. - URL: http://www.adastra.ru (дата обращения: 01.09.2022).
5. MasterSCADA: сайт. - URL: https://masterscada.ru (дата обращения: 01.09.2022).
6. КРУГ-2000: сайт. - URL: https://www.krug2000.ru (дата обращения: 01.09.2022).
7. SimpLightSCADA: сайт. - URL: https://simplight.ru (дата обращения: 01.09.2022).
8. SimpleSCADA: сайт. - URL: https://simple-scada.com (дата обращения: 01.09.2022).
138
9. SIEMENS: сайт. - URL: https://new.siemens.com/ru/ru.html (дата обращения: 01.09.2022).
10. WONDERWARE: сайт. - URL: https://wonderware.ru (дата обращения: 01.09.2022).
11. Python: сайт. - URL: https://www.python.org (дата обращения: 01.09.2022).
12. DWSIM: сайт. - URL: https://dwsim.org (дата обращения: 01.09.2022).
13. Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе: учеб. пособие. - М.: Академия, 2007. - 84 с.
14. ГОСТ Р МЭК 60073-2000. Интерфейс человеко-машинный. Маркировка и обозначение органов управления и контрольных устройств. Правила кодирования информации. - Введ. 01.01.2002. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 14 с.
15. Барашко О.Г. Автоматика, автоматизация и автоматизированные системы управления: учеб. - Минск: Вышэйшая школа, 2011. - 164 с.
16. Белоусов В.С., Васильев В.Н. SCADA-системы: организация, функционирование, администрирование. - СПб.: Питер, 2018. - 210 с.
17. Лаврова О.А., Курганов Д.А. SCADA-системы: учеб. пособие. - М.: Юрайт, 2017. - 180 с.
18. Мартынов В.В., Петров Ю.В., Гаркавенко А.В. SCADA-системы в задачах управления. - М.: Энергоатомиздат, 2019. - 190 с.
19. Меркулов С М. SCADA-системы. - М.: Додэка-XXI, 2018. - 200 с.
20. Татаренко А.П. SCADA-системы: учеб. пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2018. - 354 с.
References
1. Lukov D.K. Avtomatizirovannyye sistemy upravleniya tekhnologicheskim protsessom (ASU TP) [Automated process control systems]. Olimp (Ivanovo). 2019. 160 p.
2. Vtyurin V.A. Osnovy ASU TP [Fundamentals of APCS]. Moscow: Vysshaya shkola, 2006. 154 p.
3. Yelizarov I.A., Tret'yakov A.A, Pchelintsev A.N. i dr. Integrirovannyye sistemy proyektirovaniya i upravleniya: SCADA-sistemy [Integrated Design and Control Systems: SCADA Systems: Tutorial]: uchebnoye posobiye. Tambov: Izd-vo FGBOU VPO «TGTU», 2015. 160 p. ISBN 978-5-8265-1469-6.
4. TRACE MODE, available at: http://www.adastra.ru (accessed 01Septem-ber2022).
5. MasterSCADA, available at: https://masterscada.ru (accessed 01.09.2022).
6. KRUG-2000, available at: https://www.krug2000.ru (accessed 01.09.2022).
7. SimpLightSCADA, available at: https://simplight.ru (accessed 01.09.2022).
139
8. SimpleSCADAP, available at: https://simple-scada.com (accessed 01.09.2022).
9. SIEMENS, available at: https://new.siemens.com/ru/ru.html (accessed 01.09.2022).
10. WONDERWARE, available at: https://wonderware.ru (accessed 01.09.2022).
11. Python, available at: https://www.python.org (accessed 01.09.2022).
12. DWSIM, available at: https://dwsim.org (accessed 01.09.2022).
13. P'yavchenko, T.A. Proyektirovaniye ASUTP v SCADA-sisteme: uchebnoye posobiye [Designing of APCS in SCADA-system: tutorial] / T.A. P'yavchenko. - M.: Akademiya, 2007. 84 p.
14. GOST R MEK 60073-2000. Interfeys cheloveko-mashinnyy. Markirovka i oboznacheniye organov upravleniya i kontrol'nykh ustroystv. Pravila kodirovaniya informatsii. [GOST P MEK 60073-2000. Human-machine interface. Marking and designation of controls and monitoring devices. Rules for coding information]. Vved. 01.01.2002. Moscow : Izd-vo standartov, 2001. 14 p.
15. Barashko, O.G. Avtomatika, avtomatizatsiya i avtomatizirovannyye sis-temy upravleniya [Automation, Automation and Automated Control Systems: Textbook]: uchebnik. Minsk : Vysheyshaya shkola, 2011. 164 p.
16. Belousov V.S., Vasil'yev V.N. SCADA-sistemy: organizatsiya, funktsion-irovaniye, administrirovaniye. [SCADA systems: organization, operation, administration.]. SPb.: Piter, 2018.
17. Lavrova O.A., Kurganov D.A. SCADA-sistemy: uchebnoye posobiye. [SCADA systems: tutorial]. Moscow. Izdatel'stvo Yurayt, 2017.
18. Martynov V.V., Petrov YU.V., Garkavenko A.V. SCADA-sistemy v zadachakh upravleniya. [SCADA-systems in control tasks]. Moscow. Ener-goatomizdat, 2019.
19. Merkulov S.M. SCADA-sistemy. [SCADA systems]. Moscow.: Dodeka-XXI, 2018.
20. Tatarenko A.P. SCADA-sistemy: uchebnoye posobiye. [SCADA systems: tutorial]. Moscow.: Goryachaya liniya - Telekom, 2018.
Об авторах
Адищев Илья Владимирович (Пермь, Россия) - магистрант 2 курса кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: 123-ilya-123@bk.ru).
Вялых Илья Анатольевич (Пермь, Россия) - доцент кафедры «Оборудование и автоматизация химических производств» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
140
About the authors
Ilya V. Adishchev (Perm, Russian Federation) - 2nd year master student of the Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: 123-ilya-123@bk.ru).
Ilya A. Vyalykh (Perm, Russian Federation) - Associate Professor of the Department of Equipment and Automation of Chemical Production, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: ilya.vyalyh@pstu.ru).
Поступила: 02.02.2023
Одобрена: 15.05.2023
Принята к публикации: 30.05.2023
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Адищев, И.В. Концепция создания компьютерных тренажерных комплексов на открытом программном обеспечении / И.В. Адищев, И.А. Вялых // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2023. - № 2. - С. 129-141.
Please cite this article in English as:
Adishchev I.V., Vialykh I.A. The concept of creating computer simulator complexes based on open source software. Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology, 2023, no. 2, pp. 129-141 (In Russ).
141
