Использование языковых средств SCADA в процессе сквозного проектирования АСУ ТП

С.А. Искра
с.н.с., к.т.н.
ИПУ им. В.А. Трапезникова  РАН, cynic@ru.ru, г. Москва

Основной методологический прием разработки современных традиционных АСУ ТП -  это последовательное формирование структурных решений. Общепризнанной  процедуры (методики) их разработки, определяющих сущность АСУ на сегодня не существует.

Структуризация систем проводится по назначению её составляющих элементов (компонент). Известно, что функциональная структура (ФС) отражает взаимосвязь  входной информации (измерительной, задающей), задач обработки информации и выходной информации, поступающей на исполнительные механизмы объекта управления  и во внешнюю среду. Алгоритмическая структура (АС) отражает реализацию задач обработки информации и управления. Структура программного обеспечения  (СПО) показывает взаимосвязь функциональных программ, реализующих алгоритмическую структуру системы, сервисных и общесистемных программ. Организационная структура (ОС) отражает состав подразделений, взаимодействующих с АСУ ТП и  необходимый перечень действий каждого специалиста, взаимодействие операторов друг с другом и с техническими средствами АСУ ТП. Техническая структура (ТС) отражает всю совокупность технических средств, реализующих алгоритмическую, программную и организационную структуры, связей и дисциплин взаимодействия этих средств.

Основной методикой разработки современных традиционных АСУ ТП является последовательное формирование структурных решений: ФС → ТС →  АС →  СПО →  ОС, а затем разработка на этой основе информационного, программного, технического и т.п. обеспечений. Но при этом ФС объекта находится в центре создания всей АСУ и является для неё основной. Эффективность управления, надежность, затраты на техническое обслуживание определяются совершенством созданной ФС  для АСУ ТП.  Однако, как эта структура появляется в процессе проектирования и как далее из неё следуют все остальные структуры остается за рамками ГОСТов и известных методических материалов. В докладе предлагается применить идеи иерархической декомпозиции функций к процессу проектирования ФС АСУ ТП, причем  предполагается на каждом шаге принятия решений, как инструмент документирования этих решений, использовать средства  появившейся недавно, но уже хорошо зарекомендовавшей себя SCADA системы - «ClearSCADA» [1].

Основная идея нисходящего проектирования ФС состоит в иерархической декомпозиции целей функционирования технологического объекта управления (ТОУ) на структуру из задач - компонент одного уровня, соответствующих компонентам объекта и в совокупности реализующих исходные цели. Далее следует иерархическая декомпозиция задач очередного уровня на подцели нижнего уровня до тех пор, пока реализация  образовавшейся компоненты не станет очевидной, т.е. вся процедура имеет итерационный характер.  Её  можно представить в виде дерева (рис. 1), узлы одного уровня в  котором соответствуют горизонтальной декомпозиции  выше расположенных задач.

Вся технологическая информация об объекте управления, связана с технологической схемой - символическим изображением оборудования и потоков материалов  в  объекте.  Поэтому  естественно  использовать графическое изображение технологической схемы (мнемосхемы в CS), как основной опорный компонент всех документов и к ней привязать всю остальную информацию, которую предлагается структурировать в соответствии с естественным выделением технологических подсистем, точек контроля и управления (исполнительных механизмов), технологических  алгоритмов (задач).   

 

     

Рис. 1 Иерархическая декомпозиция ФС по уровням сверху вниз.

 В докладе рассмотрены последовательно основные фазы проектирования ФС ТОУ ТП «сверху» и показано, как данный метод может быть использован с применением средств СlearSCADA  (CS). Начиная с отчета по обследованию ТОУ в виде текстового документа  и заканчивая решениями по проектированию низовых средств управления (программируемые контроллеры), показана возможность использования на каждом этапе тех или иных языковых средств CS количество которых достаточно широко. Рассмотрено использование таких средств как: язык функциональных блоков, язык секвенциальных выражений, язык лестничных схем и описание в виде структурированного кода. Показано: как ФС нижнего уровня (отдельных элементов управления), ФС уровня технологических установок (фрагментов ТОУ) и ФС всего объекта в целом (технологические процессы на объекте) могут быть представлены с помощью графических и текстовых средств, применяемых в CS.

Далее рассмотрим последовательно проектирование ФС АСУ ТП на различных уровнях декомпозиции управляющего алгоритма и проиллюстрируем это средствами CS. 

      

1.    Краткая характеристика ClearSCADA

СS, разработанная в Control Microsystems, принадлежит к новому поколению SCADA систем. Это мощный инструмент, предназначенный для проектирования АСУ ТП и вспомогательных служб на производстве. CS имеет  клиент-серверную архитектуру и обладает:

      

Кроме того, на всех стадиях проектирования в CS поддерживаются принципы объектно-ориентированного проектирования. Все сущности проекта  системы  управления представляются в виде объектов с набором свойств и методов, доступ к которым осуществляется согласно правам пользователей. Объектно-ориентированная архитектура позволяет легко моделировать реальные объекты в терминах понятных как заказчику, так и разработчику. CS может использоваться на всех фазах жизненного цикла создания АСУ ТП, т.е. на этапах  разработки, реализации, эксплуатации  и модернизации проекта.

Применение       SCADA систем позволяет автоматизировать большинство этапов проектирования и даже на стадии обследования объекта позволяет формализовать и структурировать знания о его структуре и функционировании. Кроме того, такой автоматизированный подход позволяет осуществлять оперативную корректировку управляющих алгоритмов и моделей в связи с устареванием (как физическим, так и моральным) оборудования и совершенствованием технологических процессов на производстве. Часто бывает необходима частичная или даже полная переработка проекта, что без инструментальных средств SCADA системы потребовало бы существенного увеличения затрат и сроков исполнения.

CS имеет клиент-серверную архитектуру и поддерживает сценарии двух типов: исполняемые на сервере и исполняемы клиентом. В качестве языка сценариев  для клиента выступает расширенный функциями системы CS Visual Basic. В качестве языков серверных сценариев выступают языки стандарта IEC 1131-3 для промышленных систем управления, с помощью которых осуществляется программирование логики контроллеров, а именно: структурированные программы (ST programs), диаграммы функциональных блоков, лестничные схемы и язык секвенциальных выражений.  Клиентские сценарии служат для расширения базовых возможностей интерфейса пользователя и исполняются на АРМах. Серверные сценарии используются для описания моделей и исполняются  непосредственно на сервере. Кроме того, возможен доступ к объектам CS из сторонних приложений. При установке в системе регистрируются системные VB библиотеки с набором функций доступа к объектам CS и таким образом, возможен обмен данными, например с пакетом MSOffice. На рис.2 представлена общая архитектура CS.

 

Рис. 2 Архитектура CS

       Вся поступающая от объекта информация хранится на сервере в виде СУБД РВ. Для ведения проекта и оперативной работы используются терминальные АРМы  (ViewX). Их может быть неограниченное число (определяется вычислительной мощностью сервера).Кроме того возможно удаленное управление через внешние сети с помощью клиентского терминала WebX.

 

2.    Описание декомпозиции ФС в ClearSCADA

На примере управления узлом дожимной насосной станции по перекачке нефти (ДНС) – узла конечной сепарации газа (мнемосхема на рис.3), рассмотрим иерархическое проектирование сверху соответствующей ФС.

 

р3

 

Рис. 3

 Узел состоит из четырех управляемых задвижек (V1 – V4), трех баков с контролем уровня (B1, B2, B3) и двух насосов (N1, N2). Управление заключается во включении  насосов, когда уровень в баках допустимый (ui > 0) и соответствующие задвижки открыты.

На верхнем уровне управления при построении ФС её можно рассматривать как «черный ящик» со входами и выходами. На входе установки проверяется наличие потока, а на выходе выдается команда на  включение насосов (рис.4).

 

Рис.4

 ФС на данном уровне декомпозиции удобно представлять с помощью секвенциальных выражений (рис.5). На первом и единственном шаге S1 работа данной технологической установки заканчивается с запуском насосов N1 и N2.

 

р5

Рис. 5

 Рассмотрим следующий уровень декомпозиции ФС. Для этого детализируем шаг S1. Насос N1 может быть запущен только, если задвижки на соответствующей ветви трубопровода открыты (V1, V2), а в баке достаточно носителя (жидкости),что характеризуется истинностью переменной B1. Аналогично насос N2 может быть запущен, если открыты задвижки V3 и V4, а в баках достаточно жидкости (B2, B3). Тогда шаг секвенции S1 может быть выражен на следующем уровне декомпозиции в виде лестничной схемы CS, с помощь которой удобно описывать последовательности действий (рис.6).

р6

Рис. 6

На последнем уровне детализации работы объекта необходимо рассмотреть, каким образом проверяется уровень жидкости в баках. Будем считать, что они находятся в рабочем состоянии, если уровень – не нулевой, т.е. для B1 u1 > 0, для B2 u2 >0 и для B3 u3 > 0. Тогда все условия проверки можно определить средствами CS, как систему функциональных блоков (рис.7), каждый из которых выполняет некоторые методы над управляемыми элементами из БД CS.

 

р7

Рис.7

 

После отладки при компиляции средствами CS данное описание управляющего алгоритма преобразуется в машинный код и, кроме того, в структурированный текст  ST программы, которую также можно редактировать (рис.8).

 

В целом, когда разработка ФС распределенных  и   децентрализованных   систем контроля и  управления  сложными объектами осуществляется  на  основе декомпозиции управляющих алгоритмов на  компоненты, то это будет разбиение в соответствии с естественным структурированием технологических функций объекта и алгоритмов по  установкам (по горизонтали) и  в  соответствии  с разбиением алгоритмов управления по  иерархическим  уровням  (по вертикали). На каждом этапе детализации ФС объекта возможно использование различных языковых средств представления управляющего алгоритма из имеющихся в распоряжении SCADA системы. В данном случае при использовании CS этот набор достаточно разнообразен и главное: все языковые средства совместимы друг с другом, что предполагает различные варианты описания и сравнения их по наглядности для пользователя.

р8

 

Рис. 8

 Таким образом, с помощью современного инструмента проектирования (CS) за счет множества языков серверных сценариев можно значительно ускорить  процесс создания ФС ТОУ и тем самым сделать более эффективным сквозное проектирование всей АСУ ТП.

Литература

1. Описание работы с Clear SCADA. Serck Controls Ltd. 2006.