Сквозное проектирование в ClearSCADA на начальных
этапах
разработки системы автоматизации технологии
А.А.
Амбарцумян,
зав.
лаб. д.т.н. профессор,
С.А.
Чернов,
м.н.с,
С.В.
Толмачев,
м.н.с.,
ИПУ им.В.А. Трапезникова, г.
Москва
В
настоящей работе предлагается при обследовании технологического объекта
управления использовать инструменты для представления структуры объекта и описания
его поведения на базе аппарата
событийных моделей, выбранные из SCADA-системы. В докладе определяется модель собираемых
данных и структура их представления в ClearSCADA. В качестве базового элемента
структуры выбраны технологические схемы, это позволяет естественным и прозрачным
для заказчика способом структурировать большой объем данных по параметрам и
исполнительным механизмам, характерный для поточных технологий.
1.Введение
Значимость
этапа обследования технологического объекта управления (ТОУ) в цикле работ по
созданию АСУТП общепризнанна. На этом этапе определяется структура и
особенности технологии, уточняются границы системы управления, определяется
объем автоматизации, технологические алгоритмы и формируется (в общих чертах)
концепция управления, что, по сути, и является технологическим заданием.
Традиционно этот этап выполняется перед формированием технического задания на
систему (ТЗ) и фактически без должной инструментальной поддержки.
В
практике системных интеграторов используются опросные листы, которые, как
правило, отражают опыт и вкусы системных аналитиков, поэтому результаты обследования
напрямую зависят от квалификации выполняющего эту работу персонала. Нередки случаи,
когда результирующие данные неполны или содержат неточности, что иногда
приводит к ложным концептам в управлении. Известна эффективность использования
на фазе обследования формализмов в виде специальных форм [1], заполняя которые
разработчик осуществляет логическое моделирование структуры исходных данных и функций их преобразования. Последнее
означает, что разработчик уже на фазе обследования ТОУ должен сформулировать
функции управления. На этой фазе проекта реально известны требования технологов
(как все должно быть) и ограничения на допустимое поведение оборудования и
параметры процессов, а из функций управления определенны, как правило,
требуемые алгоритмы регулирования.
В силу этого необходим инструмент, полезный
системному аналитику и дружественный технологу, позволяющий автоматизировать
этап обследования и представить логику поведения ТОУ, заданные ограничения и
правила ведения процессов прозрачными
для заказчика моделями.
Наиболее
известными инструментами проектирования и реализации АСУТП в последние 10…15
лет являются SCADA–системы. Но, как
правило, они ориентированы на применение в проектных работах, после определения
эмпирическим путем структурных решений
по функциям управления и техническим средствам.
В
настоящей работе предлагается методика обследования ТОУ, основанная на
использовании SCADA-системы ClearSCADA (www.controlmicrosystems.com) для формализации
результатов обследования. При этом модель собираемых данных основывается на
аппарате событийных моделей (СМ) [2, 3], и структура их представления
определяется возможностями ClearSCADA.
2. Событийная модель
технологической части автоматизированного производства
Интуитивно
понятно, что функциональная структура системы управления должна соответствовать
и, в некотором смысле, копировать структуру технологии (на макроуровне). Вместе
с тем задачи технологической последовательности
операций и задачи управления различаются как по целям, так и по средствам. Тем
не менее, достаточно подробные сведения о структуре ТОУ, его свойствах и требуемом
поведении являются отправной точкой в проектировании. Таким образом, данные по
ТОУ необходимо упорядочить вокруг его структуры, связав с ней характеристики
отдельных компонент, их поведение, структуру потоков и требования к их
характеристикам, варианты конфигураций потоков (процессы), правила ведения
процессов (первичные регламенты). Предлагается использовать для этих целей
событийные модели [2, 3].
Трехуровневая
событийная модель (EM – events model) автоматизированного производства включает:
• модель «технологическая сеть» TN= <A, R> - это граф, вершины которого
A - модели компонент, а ребра R -
модели материалопроводов;
• модель «ТП» TPi = <Gi,LCi,LMi>–
технологически востребованные конфигурации (Gi Í
TN подграф (фрагмент) технологической сети и потоки в ней, с заданными параметрами);
• модель регламентов – активные
технологические сценарии.
Каждая
из моделей наряду с определением
структуры компонента (потоковые и информационные входы/выходы и связи)
содержит динамическую составляющую – жизненный цикл, который определяет набор
технологически востребованных состояний
компоненты, порядок и условия их смены.
Собственно состояния компонент и конфигураций и образуют поток событий, который используются для управления. Поскольку поток
событий создают введенные конструкции они и названы событийными моделями.
Модель
TN такова, что, с одной стороны, реагирует на события - команды сменой
состояния агрегатов и генерацией соответствующих событий; с другой - позволяет
с помощью специальных процедур, исходя из текущего состояния сети, определить
реализуемость того или иного процесса, вычислить требуемое управление на
агрегат при его настройке, сформировать обязательное условие целостности
процесса. Результаты выполнения указанных процедур фиксируются в листе
мониторинга процесса LMi .
Модель
ТП: представляет в системе состояния
реальных процессов и имитирует их выполнение
сменой состояний LCi - жизненного цикла
модели; задает условия целостности
процесса, по которым осуществляется его мониторинг.
Активные технологические сценарии TS –
это диаграммы, которые описывают планы достижения конкретных технологических целей
в виде совокупности этапов, порядка и условия их выполнения.
В
моделях всех трех уровней введена специальная конструкция - схема диалога
системы управления с оператором, которая активируется в соответствии с логикой
LCi и/или LMi. Схема диалога Sh = <
F, Q, Ans, ans0 > определяет порядок взаимодействия пользователя с системой,
описывая форму диалога F, запросы и сообщения пользователю Q, а также возможные
варианты реакции оператора по данной схеме Ans, ans0.
Разработанные
модели опробованы в ряде проектов систем автоматизации. Кратко изложим опыт их
применения в сочетании с ClearSCADA в проекте системы управления установкой
подготовки воды для теплового пункта Москва–Сити на этапе обследования и
формирования технических требований от технологов.
3. Формирование
технологического задания на автоматизацию ТОУ средствами ClearSCADA
На
основе событийной модели определим модель собираемых данных о ТОУ и структуру
их представления в ClearSCADA. В качестве базового элемента структуры выбраны
технологические схемы, что позволяет естественным и прозрачным для заказчика способом
структурировать большой объем данных по параметрам и исполнительным механизмам,
характерный для поточных технологий. При разработке технологических схем
используется опыт системных аналитиков, представленный в виде технологических
библиотек оборудования (рис. 2).
Приведем
краткое описание ТОУ - установки очистки воды. Технология очистки воды
заключается в отделении от поступающей из водопровода воды солей, хлора и
посторонних включений. Конструктивно объекты обработки воды строятся на базе
технологических установок селективного
отбора фракций, организуя три ступени сепарации. На первой происходит отделение
хлора, на второй - отделение солей, на третьей - окончательная очистка воды от
посторонних примесей. Для первичного отделения хлора используется автоматический
угольный фильтр, снижающий содержание хлора в воде с максимума в 0,5 до 0
частей на милль. Для деминерализации воды (отделения солей) используется
установка обратного осмоса, где применяется метод пропускания воды через
фильтрующую мембрану. Финальную очистку воды от посторонних примесей выполняет
установка очистки воды методом ионизации непрерывным электродом (сокращенно
ЭДИ). Установка ионизации непрерывным
электродом удаляет ионы из воды с помощью ионообменной смолы.
Важным
решением при разработке методики обследования с использованием СМ и ClearSCADA
является выбор средств описания поведения ТОУ. Жизненные циклы (ЖЦ) агрегатов и
ТП совместно с активными сценариями из
СМ моделируют логику поведения ТОУ. В описанной методике предлагается задавать
подобные модели, используя: диаграммы
для представления листов мониторинга (LD), Sequential Function charts
для представления ЖЦ и активных
сценариев, специальные табличные формы для представления структуры процессов.
При этом сформированные совместно с заказчиком (технологом) данные на фазе
обследования ТОУ далее используются непосредственно в проекте АСУТП.
Описание
ТОУ начинается с формирования в ClearSCADA технологических схем (рис. 2). При
разработке этих технологических схем используется опыт системных аналитиков,
представленный в виде технологических библиотек оборудования (рис. 1).
Рис. 1.
Библиотека технологического оборудования
Рис. 2.
Технологическая схема ТОУ в ClearSCADA
После
формирования технологической схемы определяется массив точек контроля и
управления, и осуществляется привязка элементов на технологических схемах к
соответствующим точкам. Дальнейшее состояние ТОУ можно наблюдать на
технологической схеме в ClearSCADA, а также управлять ходом выполнения ТП.
Следующим
шагом описания ТОУ будет формализация сведений от технологов по правилам формирования структуры потоков и
ведения процессов (технологическим алгоритмам), основным режимам работы ТОУ и
содержанию требований к регламенту.
Ниже
перечисляются определенные технологами все возможные и востребованные процессы
и режимы в рассматриваемом ТОУ – установке по очистки воды.
Режим
Инициализация_останов (Stop) (полной остановки) - все задвижки закрываются и
насосы останавливаются. Используется при инициализации или для полного
отключения установки, например в случае необходимости химической промывки.
Режим
Готовности (StandBy) к работе используется как промежуточный этап при
переключении в режим автоматического управления.
Режим
Регенерации используется для
регенерации умягчителя.
Ручной
Режим (Manual) – для ручного управление агрегатами. В основном используется
после химической очистки и обслуживания.
Автоматический
режим (Automat) – основной режим работы установки.
Описание
каждого режима в отдельности представляет собой последовательное изменение конфигурации
технологической сети в терминах СМ (Таблица
1). В строках таблицы описываются технологические режимы, в столбцах указаны
команды, подающиеся на соответствующие агрегаты, и их последовательность.
Например, запись закр.(3) означает, что соответствующий агрегат закрывается на
третьем шаге технологического режима.
После
установки режима Automat в технологическое сети выполняется поток очистки воды
до тех пор, пока условие cq015<2 истинно.
Когда проводимость воды превышает 2 ед., выполняется режим Bad quality. Если в течении уставки по времени
проводимость воды не уменьшилась до нормы, осуществляется переход в режим останова.
Таблица 1.
Технологические режимы установки
Логика
работы ТОУ, определяемая регламентом, реализуется в ClearSCADA с помощью инструмента
«секвенциальных функциональных диаграмм». С помощью этого инструмента
описывается ввод в работу, последовательность и условия выполнения режимов
(рис. 3).
Рис. 3.
Логика работы ТОУ в форме секвенциальных диаграмм
Благодаря
широким возможностям среды проектирования систем в ClearSCADA имеется возможность
уже на этапе обследования, при сборе исходных данных об объекте автоматизации
фиксировать их в проекте. Это позволяет вести параллельную работу по
формированию наполнения технического задания на систему и созданию проекта
интерфейса оператора; и даже
одновременно подготавливать по шаблону информацию для включения в проектную
документацию.
Информация
по измеряемым и контролируемым параметрам собирается в таблицу, по которой
формируется перечень сигналов ввода/вывода и затем привязка точек контроля и
управления в проекте ClearSCADA. Сформированный перечень сигналов ввода/вывода
служит исходной и достаточно подготовленной информацией для публикации
соответствующей проектной документации.
Информация
по технологической структуре объекта автоматизации фиксируется в виде технологической
схемы на графических формах. Структура технологической сети, зафиксированная на
графических формах, уже непосредственно используется в операторском интерфейсе.
Внесение и привязка к ней точек контроля и управления автоматически формирует
схему автоматизации.
Для
каждой точки ввода/вывода выполняется настройка аварийных и предупредительных
пределов значения параметра, настраивается действие по реакции на выход
значения за пределы. Каждая такая операция выполняется в соответствии с
внесенной в шаблон информацией на этапе обследования. Заполненный шаблон
экспортируется в раздел математического обеспечения проектной документации, где
по его данным генерируются стандартные алгоритмы защит, блокировок,
сигнализации и т.д. Для формирования алгоритмов управления и арифметических
расчетов ClearSCADA имеет удобные средства, представленные всеми языками стандарта
IEC 161131-3. Благодаря этому имеется возможность экспорта сформированных
алгоритмов в программу контроллера.
В
рассмотренном примере видно, как по ходу проведения обследования и сбора
данных, информация фиксировалась различными инструментами в ClearSCADA, параллельно
формировались технологическая схема и схема автоматизации, перечень сигналов ввода/вывода,
алгоритмы управления и вычислительные процедуры. В результате выполненной
работы был создана база по функциональной
структуре системы управления и подготовлены материалы для создания проектной
документации. Далее, используя заранее созданные инструменты экспорта,
средствами ClearSCADA выполняется автоматизированная генерация части проектной
документации.
Предложенная
методика выполнения первичных этапов инжиниринга АСУТП с использованием событийных
моделей и ClearSCADA повышает уровень
достоверности технологического задания, позволяет на первых этапах проектирования
получить от технологов точное изложение (на уровне событийных моделей) их
виденья ТОУ, процессов,
регламентов, требуемого
операторского интерфейса и определение функций оперативного персонала в форме
схем диалога. Диалоги соответствуют уровням
принятия решений и позволяют адресовать запросы по полномочиям. Распределение
функций управления между персоналом под руководством активных сценариев позволяет
повысить эффективность управления и безопасность ведения процессов за счет
ограничения человека в контуре управления в рамках только тех действий, которые
от него ожидаются в конкретной ситуации.
В
докладе обсуждается концепция информационной технологии, выступающей в качестве
инструмента автоматизированного ввода и обработки данных. Предложенная
методикаа описания логики поведения ТОУ позволяет сделать моделирование ТОУ
прозрачным для заказчика и технолога. Концепция информационной технологии,
излагаемая в докладе позволяет автоматизировано собирать данные и по мере их
накопления строить модель ТОУ.
Резюмируя,
отметим, что попытки получить более-менее содержательную модель ТОУ, шаг за шагом
строя ее в среде ClearSCADA будут успешными при наличии развитой объектной
библиотеки.
Литература
1. David A. Marca, Clement
L. McGowan (1988) In: SADT: Structured Analysis and Design Technique. McGraw-Hill.
2. Амбарцумян А.А., Казанский Д.Л. Управление технологическими
процессами на основе событийной модели. Ч I и Ч2, // АиТ №
10,11; 2001.
3. Амбарцумян А.А., Браништов С.А. Событийные модели управления
технологическими процессами ориентированные на защиту от ошибочных действий
персонала. М.: ООО «Гринвич», 2006.