Основные этапы проектирования и реализации систем автоматического управления (АСУТП и АСУП).

Основные этапы проектирования и реализации систем автоматического управления (АСУТП и АСУП).

1.1 Техническое задание и функционально-технологическая схема.

1.2. Математическое моделирование объектов и системы управления.

1.3. Построение и отладка имитатора объектов и системы управления.

1.4. Реализация систем контроля и управления.

Выводы.

Порядок проектирования и реализации систем автоматики (АСУТП и АСУП) регламентируется целым рядом нормативных документов и инструкций.

Ниже в относительно свободной форме кратко рассмотрены основные этапы проектирования.

Основных этапов - четыре и они могут быть кратко названы следующим образом:

- выработка ТЗ и построение функционально - технологической схемы объектов и системы управления, определение и обоснование технических требований к системе управления;

- математическое, в том числе и виртуально-структурное моделирование, оптимизация алгоритмов и элементов системы управления;

- построение, исследование и отладка системы управления, работающей в режиме виртуального имитатора (симулятора);

- реализация системы контроля технологического процесса и автоматического управления им.

Два последних этапа и есть область применения в Трейс Моде.

О терминологии

Упрощенно говоря, проект системы управления это набор обоснованных инструкций по ее физической реализации. Т.е. проект это то, что еще только предстоит реализовать.

1.1. Техническое задание и функционально-технологическая схема.

Техническое задание (ТЗ)

Техническое задание (ТЗ) на проектирования систем автоматики и контроля вырабатывается на основе требований технологии.

При создании комплексного проекта АСУП необходимо продумать и отобразить на общей функционально - структурной схеме все подразделения предприятия и линии связи между ними, определить содержание информации, которой будут обмениваться соответствующие компьютеры и протоколы такого обмена, форму представления и хранения документов и степень допуска к информации участников процесса управления.

Конкретное проектирование целесообразно начинать снизу - вверх, т.е. спроектировать отдельные САР некоторого технологического аппарата, проверить, не конфликтуют ли они. Получив локальные САР и системы контроля, затем можно объединить их под общим контролем оператора участка, использующего т.н. АРМ — автоматизированное рабочее место оператора. АРМ участков, в свою очередь, объединяются в необходимую сеть и связываются с АРМ диспетчера более высокого уровня управления.

При проектировании новой системы управления разработчик должен определить, какие технологические параметры нужно контролировать, а какими управлять, где нужно установить те или иные элементы контроля (датчики) и управления (исполнительные устройства), устройства обработки информации, и как это все соединить, как, наконец всем этим управлять, как это все должно работать. В результате должна быть построена функционально - технологическая схема системы управления.

Функциональная схема

Функциональная схема объекта или системы управления или их элементов

является качественной (не количественной, а графически - словесной) моделью и должна в прозрачной форме отобразить их состав и взаимодействие между элементами. Поэтому для наглядности функциональную схему можно представить, например, и в виде рисунка:

Рис.1.1.1. Пример эскиза функционально-структурной схемы управляющей части и периферийного оборудования системы управления [1 - Сундуков Е.Ю.].

Показан управляющий и отображающий для оператора информацию персональный компьютер, аппаратура и линии связи, модули приема информации от датчиков контролируемых и управляемых величин, а также модули передачи команд управления соответствующим исполнительным устройствам. Кроме того, показан и т.н. встроенный (embedded PC) компьютер, который, управляется компьютером АРМ (оператора) и в свою очередь может управлять другими контроллерами и объектами непосредственно.

Выводы.

Итак, для того, чтобы начать строить проект системы управления необходимо построить функционально - структурную схему предприятия, как объекта АСУП, и установить направления и типы информационного взаимодействия между отдельными подразделениями и участками предприятия. Затем для каждого подразделения и участка следует построить в соответствии с технологией и ее требованиями к управлению, функционально - технологическую схему, на которой указать какие и где располагаются элементы контроля и управления, какими значениями они должны обмениваться с управляющими и контролирующими устройствами, какие конкретно САР и как должны работать.

Затем необходимо построить математические, например виртуальные, объектно - ориентированные модели конкретных объектов управления для конкретных САР и оптимизировать их параметры.

Получив такую исходную информацию можно создавать проект SCADA -системы (системы Диспетчерского контроля и управления и сбора данных).

Проект остается реализовать.

Редактор проекта Трейс Моде

В первой части, Среде Разработки (СР) проекта или называемой просто Редактором Проекта (РП), осуществляется разработка и отладка компьютерной части системы управления (виртуальные пульты и щиты дистанционного контроля и управления процессом, виртуальные модели регуляторов отдельных САР, система отображения и документирования информации о ходе процессов управления и состоянии технологических объектов и т.п. ).

Созданный проект реализуется во второй части ИС Трейс Моде, в программе Монитор реального времени.

Монитор Реального Времени

Вторая часть Trace Mode это т.н. Монитор Реального Времени (МРВ или английская аббревиатура RTM - Real Time Monitor). Это полнофункциональная компьютерная программа, получающаяся в результате проектирования в первой части, в Редакторе проекта, запускаемая на АРМ (компьютере, автоматизированном рабочем месте оператора) и с помощью которой непосредственно и осуществляется автоматизированное управление реальным производством, или, более узко, объектом, участком, технологическим аппаратом.

Рис.2.1.1. (прореженная видеозапись, 18 кадров). Мнемосхема - виртуальный щит оператора шихтоподготовки, который следит за процессами дробления, измельчения и обжига концентрата и может, при необходимости, вмешаться в процесс: остановить или включить то или иное оборудование. Экран из набора примеров в Трейс Моде пятой версии .

Кроме того, МРВ позволяет предварительно проверить работу системы управления в режиме имитации не только виртуальных, но и физических элементов системы управления и объектов управления. Это примерно то же самое, что и симуляторы самолетов и автомобилей, в которых предварительно проходят обучение летчики и водители. Конечно, для работы имитатора в режиме МРВ требуется предварительно промоделировать в первой части Trace Mode все физические элементы системы управления и объекты управления или подключить их модели извне Монитора.

Возможность провести исследование проектируемой системы автоматики в режиме имитации, предоставляемая современными SCADA - системами весьма важна: это позволяет выявить большую часть возможных недоработок и недостатков проекта, не рискуя вывести из строя реальные, физические элементы системы управления, и, что еще более важно, сами объекты управления, отработать методики и инструкции для операторов и диспетчеров по оптимальному выполнению их обязанностей. Наконец, на имитаторе можно проводить тренинг операторов перед тем, как допустить их к управлению реальным процессом.

Поскольку Trace Mode имеет инструменты (среды) как проектирования компьютерной части систем автоматики, так и непосредственно работы в режиме управления (МРВ), то разработчики называют совокупность средств, доступных человеку при работе с программой Интегрированной Средой (ИС).

Trace Mode позволяет создавать как систему управления конкретным аппаратом (МикроМРВ), так и совокупностью их, целым предприятием, используя МРВ.

Принцип построения проекта SCADA-системы в Трейс Моде состоит в создании виртуальных органов управления и контроля (динамические мнемосхемы – виртуальные щиты операторов, виртуальные регуляторы и т.п. ), соединении их виртуальными линиями связи посредством широкого набора инструментов, предоставляемых программой.

Созданный проект исследуется в режиме имитатора, с использованием МРВ, а затем виртуальные модели объектов и периферии заменяются реальными, физическими, включаются и МРВ начинает ими управлять.

Узел RTM

Реализация виртуальной части системы управления.

Первый вид узлов, узлы RTM (real time monitor), соответствует компьютерам АРМ (автоматизированных рабочих мест операторов). Например:

Рис.2.2.2.1. Автоматизированное рабочее место оператора, т.е. диспетчера (Узел RTM в Трейс Моде, это компьютер, работающий под управлением операционной системы, например, Windows XP, на котором запущен МРВ, Монитор реального времени) в процессе проектирования соединяется линиями связи с программируемыми логическими контроллерами (PLC - ПЛК) и PC-based контроллерами, которые непосредственно и осуществляют управление технологическими объектами, работу которых оператор может контролировать и в работу которых он может вмешаться. Кроме того, АРМ может посылать с помощью GSM - модема сообщения на сотовый телефон, например, об аварии, а также вести базу данных, сохраняя информацию о ходе технологических процессов и состоянии системы управления в базу данных (СУБД MS Access).

Вид окна Трейс Моде с загруженным проектом таков:

Рис.2.2.2.2. Снимок экрана примера Редактора проекта из библиотеки проектов Трейс Моде (C: \Program Files\AdAstra Research Group\Trace Mode IDE 6 Base\DEMO\avt.prj - Переработка нефтепродуктов). Сверху и в левой части показаны основные элементы управления Редактора проекта, в частности для рисования статичных и динамических рисунков на мнемосхеме, и отображения структуры проекта. В левом поле Навигатора проекта показан узел (персональный компьютер) RTM_1, а также его содержимое, т.н. каналы (Экраны, Печь,...), из которых выделен канал Экраны. Поэтому содержимое этого канала показано в правом поле Навигатора проекта (Главный экран, Печь 3, Колонна К2, ..., все это мнемосхемы). Открыто два экземпляра Навигатора проекта, один под другим, чтобы можно было осуществлять автопривязку переменных из одного канала к элементам другого канала (например, чтобы по нажатию кнопки на одной из мнемосхем в МРВ (Мониторе реального времени) включался насос и это отображалось бы на другом экране).

В правой нижней четверти окна программы, на рабочем поле показана мнемосхема, построенная с помощью графического редактора Трейс Моде. Некоторые элементы мнемосхемы динамические - их параметры получили в процессе проектирования привязку к соответствующим переменным и поэтому отображают ход процесса и состояние элементов аппаратуры когда проект преобразуется к набору файлов, и запускается из Монитора реального времени.

В навигаторе проекта отображен т.н. " Узел" RTM_1, соответствующий компьютеру оператора (АРМ). Компьютер оператора, работающий под управлением программы МРВ (монитора реального времени) и выполняющий функции узла RTM_1 осуществляет отображение на экране мнемосхемы технологического процесса и сохраняет в особых документах ход протекания процесса, позволяя оператору контролировать процесс и управлять им. Кроме того, компьютер RTM_1 осуществляет выработку управляющих сигналов и величин в соответствии с заранее созданными программами, осуществляя текущий контроль и непрерывное управление процессом.

Структурно узел RTM_1 состоит из т.н. каналов.

Канал в Трейс Моде это обращение (вызов, ссылка) с помощью именованной переменной (аргумента) к соответствующему виртуальному объекту, т.н. компоненту проекта, к которому может обращаться компьютер узла RTM_1, обмениваться с ними информацией. Попросту, канал это вспомогательное, не обязательное, промежуточное звено между переменной, например, температурой подшипников, и источником (датчиком) или приемником (например, виртуальным стрелочным прибором на мнемосхеме) ее значения.

Различают два типа каналов – INPUT и OUTPUT (Входной и Выходной). В общем случае каналы типа INPUT могут получать информацию от источников данных, каналы типа OUTPUT – посылать управляющие воздействия в приемники данных.

Компоненты проекта, это например:

- Экраны - графические мнемосхемы, на которые RTM_1 может выводить (отображать) значения переменных, получаемых из других узлов) и от которых получать команды оператора (например, при щелчках мышкой по виртуальным кнопкам;

- Программы - получают значения некоторых переменных и на их основе вычисляют и возвращают значения других переменных, например, вычисляют управляющее воздействие по получаемой ошибке регулирования в соответствии с ПИД - алгоритмом);

- Документы - в которых сохраняются отчеты о ходе процесса, например, в форме графиков зависимостей от времени;

- Связь с Базой Данных (сохранение разнообразной числовой информации о ходе технологического процесса);

- Пользователи (список пользователей Монитора реального времени, допущенных к работе с ним и права их доступа - Администратор, Оператор и т.п. );

- Каналы передачи чисел с плавающей десятичной точкой или. в шестнадцатеричной форме;

- Канал передачи текущего времени;

- Каналы, сообщающие о произошедшем событии (например, пожаре);

- Каналы вызова значения некоторой переменной и др.

Такие компоненты проекта как экраны, программы, связи с внешними реляционными СУБД и документы разрабатываются как шаблоны. Для связи шаблонов с атрибутами каналов используются аргументы. Вызов шаблонов в узлах проекта осуществляется с помощью специализированных каналов класса CALL (Вызов). Один шаблон может быть вызван многократно на разных узлах с передачей в аргументы различных атрибутов различных каналов. Допустимы связи между аргументами вызываемых шаблонов, если они заданы в рамках одного узла.

Примеры программ Трейс Моде.

Рис.2.2.2.3. Вид FDB - диаграммы (программы) Трейс Моде. Регулятор, реализующий закон управления ПДД. Математическая модель составляется из отдельных блоков библиотеки, аналогично построению структурных моделей в программах VisSim или Simulink.

Рис.2.2.2.4. Вид ST-программы Трейс Моде. Программа представляется в виде текста, содержащего операторы и пояснения.

Для передачи информации от одного элемента компонента, например от кнопки включения на одной из мнемосхем сигнала на включение насоса, при проектировании производится т.н. привязка этой кнопки к переменной, состояние которой непосредственно или с помощью промежуточного виртуального элемента (канала) передается по линии связи непосредственно управляющему устройству, которое и включает привод насоса, т.е. привод насоса привязывается к виртуальной кнопке. Привязка переменных в Трейс Моде осуществляется очень просто: путем перетаскивания соответствующей переменной на нужный канал прямо в Навигаторе проекта или с помощью специальных графических полей и окон.

Узел Embedded.

Компоненты узла второго вида, Embedded (в переводе: embedded computer system - система со встроенной ЭВМ), осуществляют управление на низовом уровне, т.е. непосредственное управление, как дискретное, так и непрерывное объектами управления. Например:

Рис.2.2.3.1. Узел Embedded, осуществляет управление внешними устройствами, или, в режиме имитатора, когда внешние устройства заменены их математическими моделями, управляет моделями.

Выводы.

До начала работы с Трейс Моде проектировщик должен иметь достаточно подробную функционально-технологическую схему технологического процесса, с указанием на ней расположения периферийных устройств (датчиков, микроконтроллеров, исполнительных устройств, операторской станции - компьютера более высокого уровня управления в иерархии АСУП), а также с отображением всех переменных, и направлений по которым нужно их передавать.

Должны быть уже построены и оптимизированы модели отдельных САР (VisSim +Mathcad или Simulink + Matlab), чтобы в Трейс Моде вводить уже оптимальные параметры устройств, регуляторов, например. Конечно, некоторую оптимизацию параметров можно попробовать провести и в работающем МРВ (Мониторе реального времени), однако это весьма неудобно, а поэтому далеко не всегда целесообразно ввиду сравнительно малого быстродействия, медленной работы МРВ.

По существу, работа в Трейс Моде состоит в аккуратном и корректном перенесении в ее среду функционально-технологической схемы системы управления (АСУ). В простейших случаях, когда функционально-технологическая схема легко укладывается в голове, а математические алгоритмы работы системы управления весьма просты и наглядны, то можно строить функционально-технологическую схему непосредственно в Трейс Моде, в виде мнемосхемы процесса, а алгоритмы реализовывать непосредственно в окнах программирования Трейс Моде.

Достоинство Трейс Моде, это возможность создания и реализации проекта виртуальной части SCADA - системы управления.

Недостаток Трейс Моде состоит в том, что для осуществления правильных привязок источников информации к приемникам нужное быть очень внимательным и аккуратным.

Ход работы

Библиотека Трейс Мод.

Запуск Трейс Моде

- ярлык на рабочем столе (TRACE MODE IDE 6 (base)) или

- Пуск - Все программы - Trace Mode 6 (base) - Trace Mode 6 IDE 6 (base) или

- двойным щелчком по файлу tmdevenv.exe в папке C: \Program Files\AdAstra Research Group\Trace Mode IDE 6 Base, куда помещена программа при установке. Выбрать тип проекта: Файл - Настройки ИС - Уровень сложности - Стандартный.

Открытие примера из библиотеки примеров Трейс Моде.

Открыть проект: Файл - Открыть- C: \Program Files\AdAstra Research Group\Trace Mode IDE 6 Base\DEMO\avt.prj (для этого требуется несколько секунд или чуть более). Часто требуется щелкнуть по окну проекта, чтобы в Навигаторе отобразились компоненты проекта.

Панель Навигатора проекта, если она скрыта, вызывается из меню Вид. В правой части панели инструментов самого Навигатора есть кнопка вызова дополнительных окон (копий) Навигатора, а правее нее - кнопка с красным крестиком для их последовательного закрытия.

Рис.1.1. Открыт проект avt.prj из библиотеки примеров Трейс Моде: Управление атмосферно-вакуумной установкой переработки нефти. Слева Навигатор проекта, открытый в виде двух копий. На верхней копии выбран компонент проекта Шаблоны экранов, выделен Главный экран, он появился справа, в виде рисунка, на котором изображены элементы технологической цепочки: печь, колонна и др. При щелчке правой кнопкой по названию Главный экран в Шаблонах экранов, внизу появляется окно с перечислением относящихся к экрану переменных (аргументов) и указанием источников их значений (Привязка).

В нижней копии Навигатора проекта выделен узел RTM_1, соответствующий компьютеру диспетчера, в правой части этой копии Навигатора отображены каналы, посредством которых узел RTM_1 (т.е. компьютер диспетчера-оператора) связан с элементами технологического процесса и мнемосхемы.

Обратим внимание на кнопки " Сохранить для МРВ" и " Запустить профайлер".

Сохранение проекта для МРВ.

Для реализации проекта, т.е. для получения возможности запустить программу Монитор реального времени (МРВ), осуществляющую управление технологическим объектом и предоставляющую диспетчеру контролировать процесс и вмешиваться в управление им посредством интерактивной мнемосхемы, необходимо сохранить проект для МРВ, щелкнув по соответствующей кнопке, см. рис. выше, или выбрать Файл – Сохранить для МРВ.

В папке с сохраненным ранее проектом появится новая папка с тем же названием, что и у проекта Fed_avt, в которой, в свою очередь помещена папка RTM_1, а в ней файлы, необходимые для работы программы Монитор реального времени, общим размером 2.39 МБ.

Вынесение емкости.

В Навигаторе проекта переходим на Шаблоны экранов, щелкнув дважды по Экран#1. В панели инструментов кликаем по Графическому элементу объекты, в появившейся библиотеке выбираем Емкости, а в них — tank_1, который цепляем курсором мыши и переносим на рабочее поле. Щелкнув по емкости дважды можно изменить размеры и перенести по полю в нужное место.

Рис.2.3.2. Вынесение емкости из библиотеки объектов на рабочее поле мнемосхемы. Емкость можно было бы нарисовать и из отдельных Графических элементов, но поскольку она есть в библиотеке, то имеет смысл воспользоваться именно стандартным рисунком объекта. Размер рисунка емкости, как и других фигур, можно изменить, дважды по нему щелкнув и растягивая по вертикали, горизонтали или по диагонали.

Подставка для емкости.

Рис.2.3.3. Вынесение подставки (Цилиндр из Объемных фигур).

Аналогично вынесем и второй цилиндр:

Рис.2.3.4. Подставка («башня») для емкости выполнена из двух объемных фигур Цилиндр.

Насос.

Рис.2.3.5. Вынесение на рабочее поле Насоса из библиотеки объектов.

Задвижка и трубы.

Вынесение клапана (задвижки):

Рис.2.3.6. Вынесение клапана и задание его свойств (внешнего вида).

Рисование трубы.

Рис.2.3.7. Соединение насоса и емкости трубой.

Аналогично поместим остальные трубы:

Рис.2.3.8. Трубы, задание формы обрыва правого края правой трубы.

Помещение текстовых областей.

Рис.2.3.9. Помещение текстовой области на рисунок и введение надписи. Текстовые поля в окне Свойств открываются щелчками по ним.

Аналогично разместить и другие надписи:

Рис.2.3.10. Добавление надписей, задание размера и цвета шрифта.

Добавление кнопок.

Рис.2.3.11. Добавление Кнопок.

Добавление Сферы.

Это будет аналог светодиода, показывающий цветом, запущен ли насос.

Рис.2.3.12. Добавление сферы, аналога светодиода.

Добавление прямоугольника.

Прямоугольник будет использован в третьей лабораторной работе для отображения текущего уровня воды в емкости.

Рис.2.3.13. Прямоугольник, будущий индикатор уровня воды в емкости.

Сигнал тревоги и цифровой вывод значения уровня.

Для вывода на мнемосхему значения уровня в цифровом виде используем Графический элемент Текст, точнее, два элемента: первый будет статически указывать на то значение, которое будет показываться во втором:

Рис.2.3.14. Текстовое поле для вывода значения уровня и второе, для пояснения того, что за значение выводится.

Наконец, вынесем на поле мнемосхемы видеоролик, он будет показываться в случае переполнения емкости, когда элементам мнемосхемы будут приданы в третьей лабораторной работе свойства динамики, т.е. изменения в зависимости от значения некоторых переменных, в частности, уровня воды в емкости.

Рис.2.3.15. Добавление анимации в мнемосхему.

Вывод: Освоили принципы проектирования и построения SCADA – систем.