CC BY
75
УДК 004.9
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ АППАРАТНОГО ПУНКТА УПРАВЛЕНИЯ СТАНЦИЯМИ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
© 2010 г. А.Ф. Василенко, Н.В. Василенко, В.В.Богданов
Кубанский государственный технологический Kuban State Technological
университет, г. Краснодар University, Krasnodar
Рассматривается способ программирования промышленного контроллера IcpCon i-8431 с однозадачной операционной системой MiniOS7 с помощью метода автоматного программирования. Предложенный алгоритм позволяет обрабатывать команды в протоколах Modbus и СКАТ от различных SCADA систем, осуществлять преобразование протоколов и производить автономный опрос модулей М-306, установленных внутри станций катодной защиты. Разработанный алгоритм применяется в системах телемеханики электрохимической защиты газопроводов с помощью станций катодной защиты В-ОПЕ-М3.
Ключевые слова: катодная защита; контроллер; защита газопроводов; автоматное программирование.
The mode of programming of industrial controller IcpCon i-8431 with single-tasking operating system Min-iOS7 with using method of automaton programming is considered in this article. The tendered algorithm allows to process commands in Modbus and СКАТ protocols from various SCADA's systems, to realise conversion of protocols and to make self-contained interrogation of modules M-306 installed in stations of cathode protection. The engineered algorithm is applied in telemechanic systems of an electrochemical protection of gas-pipes with using stations В-ОПЕ-М3 of cathode protection.
Keywords: cathodic protection; the controller; protection of gas-pipes; automatic programming.
В настоящее время особо актуальны стали автоматизированные системы оптимального управления режимами энергопотребляющего оборудования, позволяющие значительно снизить расходы на энергоресурсы. Станции катодной защиты (СКЗ) как устройства, работающие 24 ч 7 дней в неделю, требуют постоянного наблюдения за выходными параметрами станции и управления ее режимами работы.
Для решения задач мониторинга и управления СКЗ с пункта управления предлагается использовать систему, основанную на промышленных контроллерах с применением двух каналов связи (Ethernet, радиоканал), с возможностью применения различных SCADA систем.
Система состоит из трех уровней (рис. 1):
- пункта управления (ПУ) - персонального компьютера, подключенного к сети Ethernet с установленной SCADA системой («СКАТ-2» или «Master-SCADA»), предназначенной для оперативного мониторинга текущих параметров СКЗ и формирования управляющих команд для изменения режимов работы СКЗ. На данном уровне также может быть использована программа конфигурирования аппаратного пункта управления, позволяющая производить настройку его рабочих параметров через канал связи Ethernet;
- аппаратного пункта управления (АПУ) - промышленного контроллера, обеспечивающего преобразование протоколов обмена данными между КП и ПУ и передачу данных из одного канала связи в другой (Радиоканал и Ethernet). АПУ производит самостоятельный мониторинг параметров КП; синхронизирует системное время КП и производит обработку аварийных сообщений, поступающих от КП;
- контролируемый пункт (КП) - станция катодной защиты с выпрямителем В-ОПЕ-М3 и модулем М-306, предназначенным для управления и обработки команд в протоколе «СКАТ» по интерфейсу RS-485.
Для реализации АПУ был выбран промышленный контроллер IcpCon i-8431, имеющий диапазон рабочих температур от -25...+75 °C, 512 Кб памяти программ и 512 Кб памяти данных, 40 МГц процессор, все необходимые интерфейсы, операционную систему MiniOS7.
Для реализации исполнительной программы контроллера IcpCon i-8431 был выбран язык C и среда разработки Borland C++ 5.02. Контроллер обладает однозадачной операционной системой MiniOS7 (аналог MS-DOS), а класс задач, решаемых АПУ, требует многозадачной операционной системы. Эта задача решена с помощью применения в исполнительной программе контроллера сложной системы автоматов состояний и переходных буферов данных между ними, позволяющей реализовать на однозадачной операционной системе MiniOS7 режим псевдомногозадачности, выполняющий несколько задач одновременно.
Разработанная исполнительная программа АПУ имеет модульный состав, который можно представить в виде набора подпрограмм (рис. 2). Прямоугольниками на рисунке обозначены подпрограммы, реализующие функции обработки команд, преобразования протоколов связи и формирования очередей для работы автоматов. Кругами на рисунке обозначены основные автоматы состояний исполнительной программы АПУ.
Пункт управления с установленной SCADA-системой и ОРС-Сервером, поддерживающим протокол «CКАТ» или «Modbus»
Программа конфигурирования аппаратного пункта управления, позволяющая его настраивать
Аппаратный пункт управления на базе промышленного контроллера IcpCon-i8431
Канал связи-Ethermet протокол обмена «CКАТ» или «Modbus»
Радиосвязь 433Mhz протокол обмена «СКАТ»
Контролируемые пункты в составе выпрямителей В-ОПЕ-М3, устройств связи и управления М-306 и радиомодемов
Обмен данными между М-306 и радиомодемом происходит по интерфейсу RS-485
Группа анодных заземлителей
Медно-сульфатный электрод
■ ■
сравнения Магдстраддый газопровод
Рис. 1. Структура системы мониторинга и управления СКЗ
Пункт управления (ПУ)
Преобразование Modbus-CKAT
Обработка СКАТ команд ПУ
Обработка команд конфигуратора
Очередь заданий автомату СКАТ
Обратное преобразование протоколов
Автомат отправки аварийных сообщений .
Очередь аварийных кадров
Контролируемый пункт (КП)
Рис. 2. Модульный состав исполнительной программы АПУ
Основной подпрограммой является автомат состояний СКАТ, реализующий функции автономного мониторинга КП, синхронизации системного времени КП и прием аварийных сообщений от модуля М-306 в протоколе обмена «СКАТ» по каналу связи через радиомодем, работающий в «прозрачном» режиме передачи данных.
Автомат состояний СКАТ реализован с применением технологии автоматного программирования (switch-технология), позволяющей реализовывать на однозадачной операционной системе режим псевдомногозадачности.
Основные задачи, решаемые автоматом СКАТ:
1. Автономный мониторинг параметров КП, подключенных к данному АПУ в протоколе «СКАТ». Автономный мониторинг позволяет хранить в оперативной памяти АПУ актуальные значения измеренных параметров КП для их быстрой передачи верхним уровням системы по их запросу.
2. Синхронизация системного времени КП. Автомат состояний СКАТ реализует функции синхронизации системного времени АПУ с системным временем КП. Синхронизация времени производится автоматически. Автомат СКАТ отслеживает все возможные ситуации, которые могут привести к сбросу времени на КП (отключение питания КП, перезагрузка М-306 и т.д.) и в случае их возникновения производит процедуру синхронизации системного времени. Для более точной синхронизации вводится параметр, компенсирующий время прохождения команды по каналу связи. Оператор ПУ может принудительно дать команду АПУ на синхронизацию системного времени отдельного КП.
Особая важность синхронизации времени связана со спорадическими (аварийными) сигналами, формируемыми КП в случае возникновения аварии. Если системное время КП будет задано неверно, судить о времени возникновения аварии будет невозможно, поскольку в данных, поступивших на ПУ, будет отсутствовать метка времени.
3. Прием и обработку аварийных сообщений от КП. АПУ должен обеспечить передачу полученного от КП аварийного сообщения всем подписанным ПУ верхнего уровня.
На рис. 3 представлен алгоритм обработки полученных от КП аварийных сообщений и их передачи подписанным ПУ.
АПУ, получив аварийное сообщение, производит его обработку и добавление нового аварийного кадра в циклическую очередь аварийных сообщений. Автомат СКАТ формирует команду квитирования для полученного аварийного сообщения (сообщение для КП, что аварийное сообщение получено).
Параллельно с отправкой команды квитирования автомат отправки аварийных сообщений производит анализ циклической очереди аварийных сообщений на поступление новых сообщений. В случае нахождения в очереди неотправленного сообщения определяется ПУ, получающий данное сообщение и производится
его отправка. В случае получения команды квитирования данное сообщение из очереди удаляется и производится поиск следующего сообщения.
Если попытка отправки сообщения закончилась неудачей, производится повторная отправка сообщения. Если после повторных отправок сообщения команда квитирования не получена, проверяется наличие TCP/IP соединения с данным ПУ.
Аварийные ситуации на КП могут происходить по разным причинам, но наиболее важным из всех аварийных сигналов является сигнал по превышению максимального или минимального значения выходного напряжения, тока, или защитного потенциала газопровода, а также изменение состояния двери СКЗ.
Важным свойством исполнительной программы АПУ является возможность обмена с ПУ в двух различных протоколах передачи данных:
1. Протокол Modbus TCP. Этот протокол является стандартом де-факто в области передачи данных и позволяет подключить в систему любую SCADA-систему, поддерживающую данный протокол или технологию OPC.
2. Протокол СКАТ. Этот протокол является «родным» для устройства сопряжения для СКЗ и позволяет подключать систему к подсистеме коррозионного мониторинга, использующей SCADA-систему «Орион».
Автомат отправки аварийных сообщений
Рис. 3. Алгоритм обработки аварийных сообщений
Таким образом, предложенный алгоритм исполнительной программы АПУ обеспечивает работу с «верхними» уровнями системы по двум протоколам связи, а с КП по протоколу СКАТ. Сложность преобразования протокола Modbus в протокол СКАТ и обратно связана с принципиальными различиями в протоколах Modbus и СКАТ.
Протокол Modbus подразумевает существование в системе одного Master (ведущего) устройства и нескольких Slave (ведомых) устройств. Инициатором передачи данных является только Master устройство, а Slave-устройство только отвечает на команды, что не позволяет реализовать передачу аварийных сообщений от КП. Все считываемые и записываемые параметры и значения Slave-устройства представляются в виде карты памяти, по конкретным адресам которой лежат конкретные значения.
В протоколе Modbus существуют только команды записи и чтения определенного количества регистров (битов) с определенного адреса. Поэтому протокол Modbus может применяться для различных Slave-устройств с различным набором значений и параметров, что делает его универсальным протоколом обмена.
В отличие от Modbus протокол СКАТ разрабатывался для задач телемеханики и содержит набор команд, выполняющих строго определенные функции. Протокол подразумевает наличие в системе ПУ и КП, инициатором передачи команд может выступать как ПУ, так и КП (аварийное сообщение). Это принципиальное отличие от протокола Modbus, где команды может выдавать только Master-устройство.
После получения команды от ПУ происходит определение, в каком из двух протоколов прислана команда. Рассмотрим алгоритм обработки команды в протоколе Modbus. После получения команды проверяется её целостность, а также корректность запрашиваемого адреса, смещения и данных. Если команда некорректна, то формируется ответное сообщение с кодом ошибки. После проверки полученной команды осуществляется проверка наличия необходимых данных в локальной памяти АПУ. Если необходимые данные обнаружены в локальной памяти, то АПУ формирует ответное сообщение с запрошенными данными. Если необходимых данных нет, или требуется осуществить управляющее воздействие на КП, то АПУ формирует необходимую команду в протоколе СКАТ, присваивает ей приоритет и записывает в очередь заданий на отправку КП (рис. 4).
Модуль преобразования Modbus-СКАТ
Автомат СКАТ
Очередь заданий автомату СКАТ
Задание 1
Задание 2
Задание 3
1_ J
Формирование и отправка ответного сообщения для ПУ
Модуль обратного преобразования протоколов Modbus-СКАТ
Рис. 4. Алгоритм обработки команд ПУ в протоколе Modbus
Автомат СКАТ анализирует очередь заданий и выбирает задание с наивысшим приоритетом и отправляет его КП. Если ответ от КП не получен, происходит повторная отправка команды. Если ответ от КП не получен, АПУ устанавливает флаг отсутствия связи с КП и удаляет задание из очереди. Если ответ от КП получен, модуль обратного преобразования протоколов удаляет задание из очереди заданий и на
Поступила в редакцию
основании полученных данных формирует и отправляет ответ ПУ в протоколе Modbus.
Разработанная исполнительная программа АПУ позволяет системе реализовать все возложенные на нее задачи по управлению и мониторингу СКЗ и дает диспетчеру возможность получать в самые короткие сроки актуальную информацию о состоянии СКЗ.
8 июня 2010 г.
Василенко Антон Федорович - аспирант, кафедра информатики, Кубанский государственный технологический университет. Тел. (861)220-30-98. E-mail:_simpson_@mail.ru
Василенко Наталья Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра информатики, Кубанский государственный технологический университет. Тел. 8-928-037-01-23.
Богданов Виктор Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра информатики, Кубанский государственный технологический университет.
Vasilenko Anton Fedorovich - post-graduate student, departament of informatics, Kuban State Technological University. Ph. (861)220-30-98. E-mail:_simpson_@mail.ru
Vasilenko Nataliya Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, departament of informatics, Kuban State Technological University. Ph. Тел. 8-928-037-01-23.
Bogdanov Viktor Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, departament of informatics, Kuban State Technological University.
