Разработка SCADA-систем

В. В. Кангин, М. В. Кангин, Д. Н. Ямолдинов







                РАЗРАБОТКА




SCADA-СИСТЕМ

Учебное пособие

2-е издание






Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024

УДК 004.438
ББК32.973.3
     К19








     Кангин, В. В.
К19 Разработка SCADA-систем : учебное пособие / В. В. Кангин, М. В. Кангин, Д. Н. Ямолдинов. -2-еизд. -Москва; Вологда: ИнфраИнженерия, 2024. - 564 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-1658-0

     Даны рекомендации по проектированию SCADA-системы с использованием среды визуального программирования Delphi. Приведен обзор существующих SCADA-систем с анализом принципов их работы. Рассмотрены возможности SCADA-системы как инструмента для просмотра тегов. Освещены вопросы организации распределенных систем управления с развитым диспетчерским уровнем.
     Для программистов, системных интеграторов, специалистов, занимающихся разработкой распределенных систем управления, научных работников, аспирантов и студентов вузов соответствующих специальностей.



УДК 004.438
ББК32.973.3








ISBN 978-5-9729-1658-0 © Кангин В. В., Кангин М. В., Ямолдинов Д. Н., 2024
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................5

ГЛАВА 1.
SCADA-системы в компьютерныхраспределенных системахуправления.......................................9
   1.1. Обзор существующих SCADA-систем..................9
   1.2. ОРС-стандарт обмена информацией SCADA-систем и ПЛК.31
   1.3. Функции, выполняемые SCADA-системами............36
   1.4. Структура стандарта OPC.........................43
   1.5. Структура компьютерной распределенной системы управления и организация программного обеспечения диспетчерского уровня................................51
   1.6. Fastwel PlcNet OPC Server — OPC-сервер для сетей PLCNET.....................................57
   1.7. Работа с ОРС-сервером Fastwel PlcNet OPC Server.74

ГЛАВА 2.
Организация взаимодействия программного обеспечения диспетчерского и контроллерногоуровней в компьютерных распределенных системахуправления.......................81
   2.1. Структуракомпьютерной распределеннойсистемыуправления с одним узлом на диспетчерском уровне................81
   2.2. Простейший просмотрщик тегов для промышленной сети PLCNET..........................................83
   2.3. Просмотрщик тегов в виде столбчатой диаграммы...97
   2.4. Просмотрщик тегов в виде круговой диаграммы со стрелкой.........................................131
   2.5. Просмотрщик тегов в виде круговой диаграммы....158
   2.6. Использование мультипликации в системах визуализации информации.............................187
   2.7. Сетевой лазерный тир...........................230
   2.8. SCADA-система для робота IRON BURATINO.........296

ГЛАВА 3.
Организация взаимодействия программного обеспечения компьютеров диспетчерского уровня распределенной системы управления......................347
   3.1. Структура компьютерной распределенной системы управления с многоузловым диспетчерским уровнем......347

3

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

   3.2. Назначение и организация объекта автоматизации.352
      3.2.1. Модуль AddUnit............................352
      3.2.2. Модуль MainUnit...........................375
      3.2.3. Практическаяработа с объектом автоматизации.398
      3.2.4. Модуль NDgrServer_TLB.....................402
   3.3. Назначение и организация ОРС-клиента...........405
      3.3.1. Функции, выполняемые ОРС-клиентом.........405
      3.3.2. Хранение данных в ОРС-клиенте.............406
      3.3.3. Обработка данных в ОРС-клиенте............412
      3.3.4. Работа с ОРС-клиентом.....................532
      3.3.5. Взаимодействие ОРС-сервера, объекта автоматизации и ОРС-клиента....................................545

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................550

БИБЛИОГРАФИЯ...........................................551

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................552
Приложение 1. Список сокращений........................552
Приложение 2. Глоссарий................................554


4

ВВЕДЕНИЕ

     В настоящее время наблюдается качественный скачок в развитии систем управления технологическим оборудованием и технологическими процессами. Системы управления стали децентрализованными, распределенными. Таким образом, в настоящее время можно говорить о распределенных системах управления (РСУ).
     Промышленные и локальные сети представляют собой физическую среду, на базе которой реализуются РСУ. РСУ в классическом виде представляет двухуровневую структуру. На нижнем уровне этой структуры находятся контроллеры — устройства, осуществляющие непосредственное управление технологическими процессами в реальном времени. Контроллер должен решать задачу управления быстро, в темпе протекания технологического процесса.
     Производством контроллеров занимается большое количество фирм как в России, так и за рубежом. Контроллеры подразделяются на моноблочные (компактные), модульные и PC-base контроллеры.
     Значительное развитие получили PC-base контроллеры, представляющие, по сути, IBM PC, но выполненные в миниатюрном промышленном исполнении. По своим техническим характеристикам они приспособлены для работы в условиях улицы, цеха, склада. Именно один из этих контроллеров, а именно ADAM-5510 фирмы Advantech (Тайвань), будет рассматриваться в данной работе.
     На верхнем уровне РСУ расположены удаленные компьютеры (рабочие станции), позволяющие выполнять следующие задачи:
     - сбор данных о параметрах технологического процесса, их обработка и архивирование принятой информации;
     - визуализация информации о ходе технологического процесса, сигнализация о предаварийных и аварийных ситуациях;
     - формирование сводок, журналов, отчетов ит.д.;
     - формирование команд оператора, направленных на изменение параметров настройки и режимов работы контроллеров;
     - автоматическое управление ходом технологического процесса (только в ряде случаев и для решения задач невысокого быстродействия).

5

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

     Рабочие станции верхнего уровня представляют собой автоматизированные рабочие места (АРМ) производственного персонала, обслуживающего технологический процесс: операторы, технологи, наладчики, диспетчеры и т. д. Верхний уровень РСУ называют диспетчерским или операторским уровнем.
     Диспетчерский уровень представлен персональными компьютерами (ПК), рабочими станциями, промышленными компьютерами ит. д.
     Контроллеры, решая задачу непосредственного управления технологическим оборудованием, принимают сигналы с датчиков и выдают управляющие сигналы на исполнительные механизмы. Одновременно с этим они решают еще одну важную задачу — передают информацию о состоянии технологического процесса на компьютеры верхнего диспетчерского уровня. В ряде случаев контроллеры могут обмениваться данными и между собой. Промышленная сеть и есть та физическая среда, по которой происходит обмен информацией между активными компонентами (узлами) РСУ Таким образом, узлом в промышленной сети является контроллер.
     Каждый технологический параметр представлен в сети в виде некоторой переменной — тега, и характеризуется величиной, качеством передачи (приема) по сети, типом и т. д.
     Выделение в РСУ двух уровней позволяет говорить о программном обеспечении (ПО) для верхнего и для нижнего уровня. Естественно, что ПО для верхнего и нижнего уровней РСУ в значительной степени различаются.
     ПО для нижнего (контроллерного) уровня представляет собой программы, загруженные во флеш-память каждого контроллера, и выполняющиеся циклически. Для программирования контроллеров можно использовать языки высокого уровня, например C++, но в настоящее время широко используются специализированные языки программирования по стандарту IEC 61131-3.
     К таким языкам, принадлежащим к группе языков Functional Block Diagrams (FBD) — функциональных блоковых диаграмм, относится язык UltraLogik, использующийся для программирования контроллеров ADAM-5510. Этот язык позволяет легко выполнить проектирование управляющих программ высокой степени сложности.

6

ВВЕДЕНИЕ

     Какие бы алгоритмы не реализовала управляющая программа контроллера, важно, чтобы она еще передавала определенную нужную информацию в сеть. В UltraLogik это делается довольно просто. Достаточно той или иной переменной (параметру технологического процесса, состоянию того или иного датчика, управляющему сигналу и т. д.) присвоить статус «сетевая», как она гарантированно будет периодически передаваться контроллером в сеть.
     ПО верхнего уровня реализуется в виде SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition — система сбора данных и оперативного диспетчерского управления). Задачи, которые выполняют SCADA-системы, были обозначены выше, но центральной является задача по приему тегов из сети. Для этих целей используются специальные приложения (программы), называемые OPC-серверами. OPC-сервер считывает значения тегов из сети и передает их приложению (программе) — клиенту. SCADA-системы являются клиентами OPC-серверов.
     Разработкой SCADA-систем занимается ряд фирм (см. главу 1). Каждая SCADA-система имеет две составляющие:
     - инструментальная система (SCADA-пакет), с помощью которой можно разработать SCADA-систему нужного назначения;
     - исполнительная часть — приложение, полученное в результате работы инструментальной системы, устанавливаемое на рабочей станции диспетчерского уровня РСУ.
     Фирмы — разработчики SCADA-систем поставляют именно инструментальную систему. Анализ существующих SCADA-систем показывает, что каждая из них представляет собой специализированный пакет программ, объединенный специфическим интерфейсом, особенностями использования, идеологией организации и т. д. Все это затрудняет переход от одной SCADA-системы к другой.
     Высокая стоимость существующих SCADA-систем, отсутствие качественной технической документации, избыточность, за которою приходится платить пользователю, делают процесс внедрения SCADA-систем в производство весьма непростым мероприятием, которое под силу лишь «богатым» предприятиям, как правило, из сферы добычи прочих полезных ископаемых. Рядовым предприятиям машиностроительного профиля такие «игрушки» не по карману.

7

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

Да и нет подготовленных кадров для решения задач проектирования SCADA-систем с помощью SCADA-пакетов. Эти задачи выполняют, как правило, специализированные фирмы — системные интеграторы, услуги которых тоже очень недешевы.
    Однако пессимизм в данном вопросе можно развеять, если понять, что SCADA-систему любого уровня сложности и назначения можно спроектировать и без дорогостоящих услуг фирм — разработчиков SCADA-систем. Проектирование легко выполнить с помощью таких программных средств, как Delphi, Visual C++, VBA. Они имеют в своем составе все необходимые средства для работы с OPC-серверами, графикой, мультипликацией, базами данных и т. д.
    Именно тому, как спроектировать свою собственную простую, но достаточно эффективную SCADA-систему, используя среду визуального программирования Delphi, посвящена эта книга.
    В первой главе выполнен обзор существующих SCADA-систем, дан их анализ. Приводятся сведения о принципе работы OPC-серверов, их взаимодействии с другими приложениями-клиентами. Рассмотрены правила работы с OPC-сервером фирмы Fastwel (Fastwel PLCNet OPC Server).
    Вторая глава посвящена проектированию просмотрщиков тегов, представляющих информацию в виде таблицы, столбчатых и круговых диаграмм, круговых диаграмм со стрелкой. Рассмотренные здесь SCADA-системы названы просмотрщиками тегов, поскольку при их разработке ставилась лишь задача приема тегов из сети и визуализации их значений в табличной или графической форме.
    В третьей главе рассматриваются вопросы организации РСУ с развитым диспетчерским уровнем. Здесь особое внимание уделено вопросу передачи информации с мастера сети на удаленные компьютеры и рабочие станции сети Ethernet.
    Приложения содержат список сокращений, глоссарий.
    Книга предназначена для программистов, системных интеграторов, специалистов, занимающихся разработкой РСУ, научных работников, аспирантов и студентов вузов соответствующих специальностей.

8

ГЛАВА 1.


            SCADA-системы в компьютерных распределенных системах управления


        1.1. Обзор существующих SCADA-систем

    Современные распределенные системы управления (РСУ) имеют территориальное и функциональное распределение систем сбора данных и управления. Контроль за ходом технологического процесса, состоянием агрегатов и машин осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места оператора (АРМ оператора) или операторской станции, установленной в операторском помещении. При необходимости установки АРМ оператора в цеху используются промышленные рабочие станции со встроенной клавиатурой, выполненные в пыле-, влагозащищенном исполнении.
    Представление данных о ходе технологического процесса в реальном масштабе времени, визуализация процессов в виде мнемосхем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и другие функции осуществляются с помощью специального программного обеспечения, которое называется SCADA-системой.
    SCADA-система (Supervisory Control And Date Acquisition — система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) представляет собой универсальное многофункциональное программное обеспечение (ПО) систем верхнего уровня автоматизированных систем управления технолгическими процессами (АСУ ТП). Это ПО позволяет оперативному персоналу наиболее эффективно управлять технологическим процессом и контролировать его протекание. По мере развития программных и аппаратных средств наблюдается применение SCADA-систем и на нижнем, контроллерном уровне.
    Основные функции, выполняемые большинством SCADA-систем:
    1. Сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственно от датчиков и исполнительных устройств: значения температуры, давления, положение клапана или вала исполнительного механизма и т. д.


9

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

     2. Обработка и хранение (архивирование) полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования, линеаризации и других для приведения данных к нужному формату.
     3. Графическое представление информации о ходе технологического процесса в цифровой, символьной или иной форме. Это может быть динамизация значений переменных, представление значений переменных в виде графиков в функции времени (трендов), гистограмм и другое.
     4. Сигнализация в предаварийных и аварийных ситуациях об изменениях хода технологического процесса в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация действий обслуживающего персонала в аварийных ситуациях.
     5. Формирование сводок, журналов и других отчетных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах.
     6. Формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режима работы контроллеров, исполнительных устройств: пуск-останов, открытие-закрытие и другие функции.
     7. Автоматическое управление ходом технологического процесса в соответствии с имеющимися в SCADA-системах алгоритмами управления: ПИ-, ПИД-регулирование, позиционное, нечеткое регулирование и т. д. Данные функции рекомендуется использовать для решения задач невысокого быстродействия.
    Таким образом, SCADA-пакеты являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП — SCADA-систем. При этом от разработчика не требуется обширных знаний в области программирования на языках высокого уровня.
    Наиболее распространенные на сегодняшний день SCADA-системы для РСУ представлены в табл. 1.1.
    Рассмотрим характеристики SCADA-систем, используемых вРСУ

10