Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-41

При проектировании ОС реального времени, как мы отмечали, все чаще

используют идеологию микроядра, которая увеличивает надежность программ-

ного обеспечения и позволяет использовать только те компоненты операционной

системы, которые необходимы в каждом конкретном случае.

Так, компактное ядро QNX/Neutrino имеет очень небольшой размер –

менее 32 кбайт, выполняя несколько основных служб операционной системы:

• службу обмена

сообщениями между потоками всей системы;

• службу синхронизации потоков;

• службу диспетчеризации потоков;

• службу управления таймерами и аппаратными прерываниями.

В то же время современные многозадачные и многопользовательские

системы общего назначения, в частности Windows NT/2000 и OS/2, обеспечива-

ют скорость отклика на внешние воздействия, сравнимую со специализирован-

ными ОС реального времени. Как показывает

практика, эти ОС можно исполь-

зовать только в задачах «мягкого реального времени». Заметим, что фирма Ven-

turCom Co.(США) выпустила в 1999 году расширения реального времени для

Windows NT – RTX (Real Time Extention). Они позволяют объединить все стан-

дартные возможности Windows NT с требованиями реального времени и пред-

ставляют средства для создания приложений, работающих фактически в режиме

близком к жесткому реальному

времени. RTX добавляет подсистему реального

времени к стандартной Windows NT и обеспечивает тем самым специфическую

для реального времени функциональность. Использование RTX в промышлен-

ности покажет жизнеспособность этого решения.

Заметим в заключение, что очень часто на выбор ОС влияют не только ее

характеристики, но и ее стоимость, и наличие необходимого аппаратного обес-

печения, и условия ее

сопровождения.

2.5. Пакеты прикладных программ операторских станций

технологических процессов (SCADA)

2.5.1. Общая характеристика пакетов

Особое место в создании информационных систем принадлежит про-

граммному обеспечению, предназначенному для эксплуатации на среднем и

верхнем уровнях промышленных информационных систем (см. рис. 1.2), напри-

мер пультов управления сложными агрегатами.

При создании АСУ ТП любой сложности

всегда существовала тяжело

решаемая проблема: как заставить программистов и технологов понимать друг

друга. Надоело программистам разбираться с задвижками – клапанами, электро-

двигателями, и начали они изобретать всяческие языки «программирования без

программирования», доступные для понимания простому инженеру-технологу.

В результате этой деятельности появились программные пакеты для создания:

• интерфейса человек-машина (Man Machine Interface, MMI), иными

словами – того, что оператор почти все время видит на экране компь-

ютера;

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-42

• программного обеспечения операторских станций технологических

процессов (Supervisor Control And Data Acquisition, SCADA).

Граница между программным обеспечением класса SCADA и MMI весь-

ма условна, поэтому многие системы SCADA могут работать в качестве интер-

фейса для систем нижнего уровня.

Главными функциями таких SCADA-программ являются отображение

технологического процесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных си-

туациях, обеспечение общего управления процессом со

стороны оператора –

технолога и т.п.

Диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) является основным и

в настоящее время остается одним из наиболее перспективных методов автома-

тизированного управления сложными динамическими системами. Именно на

принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные

системы в металлургии.

Конечно, многие отделы АСУ крупных металлургических предприятий,

как правило, имеют

свои наработки в этой области. Примеры таких разработок

отделов АСУ крупных металлургических заводов мы рассмотрим в дальнейшем.

В то же время есть фирмы, специализирующиеся на разработке универсальных

SCADA-программ, таких как Genesis, InTouch, FixDmacs, SIMATIC WinCC,

iFIX, «САРГОН», RealFlex, Trace Mode, MIK$Sys и многие другие.

SCADA – процесс сбора информации реального времени с удаленных

точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления

удаленными

объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимо-

стью доставки (выдачи) всех необходимых сообщений и данных на центральный

интерфейс диспетчера.

Основные требования к SCADA-системам:

• создание богатых возможностей для реализации графического интер-

фейса;

• обеспечение открытости, как с точки зрения подключения различного

контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими про-

граммами;

• обеспечение простоты разработки приложений;

• использование новых технологий.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных

компонента (рис. 2.10).

Удаленный терминал (Remote Terminal Unit, RTU) – осуществляющий

обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его вопло-

щений широк – от простейших датчиков, осуществляющих съем информации с

объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычис-

лительных комплексов, осуществляющих

обработку информации и управление в

режиме жесткого реального времени. Использование устройств низкоуровневой

обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способно-

сти каналов связи с центральным диспетчерским пунктом. Заметим, что число

контролируемых удаленных данных в современной SCADA-системе может дос-

тигать 100 тысяч.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-43

Диспетчерский пункт управления – главный терминал (Master Terminal

Unit, MTU) – осуществляет обработку данных и управление высокого уровня,

как правило, в режиме мягкого реального времени. Одна из основных функций –

обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой. В зависимо-

сти от конкретной системы диспетчерский пункт управления может быть реали-

зован в самом разнообразном виде – от единичного компьютера

с дополнитель-

ными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных

систем или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов.

Коммуникационная система – каналы связи (Communication System, CS)

необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на

центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления

на удаленный терминал (объект) в зависимости от

конкретного исполнения.

Можно выделить четыре основных функциональных компонента систем

диспетчерского управления и сбора данных (рис. 2.11):

Рис. 2.10. Основные структурные компоненты SCADA-систем

• человек-оператор;

• компьютер взаимодействия с человеком;

• компьютер взаимодействия с задачей (объектом);

• задача (объект управления).

Поскольку конкуренция в области SCADA-систем достаточна высока и

пакеты SCADA в общих чертах похожи друг на друга, мы

сначала рассмотрим

только общие их функции и затем дадим характеристику наиболее известных

отечественных и зарубежных отечественных пакетов.

Для создания рабочего места оператора технологического процесса

обычно необходимо реализовать следующий набор функций:

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-44

• органы управления различных типов;

Рис. 2.11. Функциональные компоненты SCADA-систем

• экранные формы отображения параметров процесса типа стрелочных,

полосковых или цифровых индикаторов, а также сигнализирующие

табло различной формы и содержания;

• возможность создания архивов аварий, событий и поведения пере-

менных процесса во времени (так называемые тренды), а также пол-

ное или выборочное хранение параметров процесса через

заданные

промежутки времени постоянно или по условию;

• язык для реализации алгоритмов управления, математических и логи-

ческих вычислений;

• средства документирования как самого алгоритма, так и технологиче-

ского процесса;

• драйверы к обслуживанию нижнего уровня АСУ ТП;

• сетевые функции;

• средства защиты от несанкционированного доступа в систему;

• многооконный

графический интерфейс и другие функции.

Формирование статического изображения рабочего окна

Это может быть фон, заголовки, мнемосхема технологического процесса

и т.п. Для создания статического изображения, как правило, используются

внешние графические редакторы, например Paint, а готовые изображения затем

импортируются в пакет SCADA. Хотя некоторые пакеты имеют собственные

средства рисования, все они содержат и средства

импорта изображений.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-45

Формирование динамических объектов рабочего окна

Как правило, динамические объекты создаются при помощи специализи-

рованного графического редактора самого пакета по жестко заданному алгорит-

му или на основе набора библиотечных элементов с последующим присвоением

параметров. В частности, для изображения полоскового индикатора нам нужно

будет в простейшем случае изобразить прямоугольники, соответствующие на-

чальному и

конечному значению параметра, и задать эти значения. На этом же

шаге динамическому объекту присваивается логическое имя, под которым он

будет фигурировать в алгоритме управления. Одновременно путем ответов на

вопросы меню или при заполнении соответствующего формуляра задается при-

вязка логических имен динамических объектов к конкретному каналу ввода-

вывода. В конце этого

шага мы имеем набор необходимых нам динамических

объектов, соответствующим образом размещенных на фоне статического изо-

бражения, и базу каналов ввода-вывода. Единственное, что остается сделать для

получения работающей программы операторской станции, – описать взаимосвя-

зи между логическими именами динамического объекта и алгоритмом функцио-

нирования системы.

Описание алгоритма отображения и управления

Этот алгоритм

выполняется в разных системах по-разному, хотя общие

черты остаются. В простейшем случае при помощи обычного текстового редак-

тора на языке BASIC записываются логические и математические формулы с

использованием логических имен динамических объектов. В более сложных па-

кетах алгоритм может описываться при помощи языка функциональных блоков

(ФБ). Причем исходные наборы ФБ

включают в себя достаточно широкий набор:

от простых фильтров и математических функций до PID-регуляторов. Как пра-

вило, в таких системах предусматривается возможность создания собственных

ФБ, содержащих тексты программ или формул на встроенном языке высокого

уровня. На этом шаге процесс «программирования» заканчивается. Все, что ос-

тается сделать, – запустить полученную стратегию под

управлением следующей

неотъемлемой части всех пакетов SCADA-программы монитора.

Рассмотрим наиболее популярные программы SCADA-системы.

2.5.2. GENESIS (США)

GENESIS – это один из самых популярных и наиболее продвинутых па-

кетов этого класса, успешно внедряемый не только за рубежом, но и в России.

Первая версия этого пакета разработана фирмой Iconics (США) еще в 1986 году.

С тех пор количество проданных копий пакета перевалило за 20 тысяч, а систе-

мы на его базе работают практически

во всех странах мира. Последняя версия,

GENESIS–32, работает под Windows 95/98/NT/2000 и позволяет осуществлять

автоматизацию объектов различной сложности: от отдельного агрегата или ус-

тановки до завода. Именно с использованием этого пакета в настоящее время

осуществляется решение современных информационных задач при производстве

алюминия, автоматизации прокатных станов. В России осуществлено к 2000 го-

ду не менее

350 инсталляций GENESIS–32 6.0. Так, развернутая в компании

«Транснефть» автоматизированная система управления транспортировкой неф-

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-46

ти, базирующаяся на комплексе программ GENESIS–32, является крупнейшим в

мире проектом SCADA на основе сети распределенных персональных компью-

теров. Длина трубопроводов «Транснефти», перекачивающей 99,5 % нефти Рос-

сии, превышает 45 тыс. км. Система диспетчерского управления, в которой ус-

тановлено 350 ПК с Windows NT/2000, 2000 программируемых логических кон-

троллеров и 1,5 тыс. экранов операторов, обрабатывает данные, поступающие по

200 тыс. цифровых

и аналоговых каналов. Среднее время ответа на запрос отно-

сительно состояния любого компонента инфраструктуры изменяется в пределах

от 3 до 5 секунд.

GENESIS–32 является инструментальным средством, предназначенным

для визуализации контролируемых технологических параметров и оперативного

диспетчерского управления на верхнем уровне АСУ ТП. В состав GENESIS–32

также входят средства редактирования сценарных процедур, обеспечивающие

возможность разработки части

программного обеспечения средствами Windows

Visual Basic.

В отличие от многих известных систем, имеющих либо собственный

формат драйверов аппаратуры, либо встроенную поддержку аппаратуры ограни-

ченного числа производителей, GENESIS–32 соответствует универсальному

способу взаимодействия с аппаратными средствами любого производителя. Для

фирм, занимающихся самостоятельным производством устройств сбора данных

и управления, фирма Iconics предлагает комплект ОРС, который позволяет соз-

давать

серверы ОРС для собственных технических средств.

ОРС (OLE for Process Control) – это стандарт взаимодействия между

промышленными компонентами системы сбора данных и управления (SCADA).

Через интерфейсы ОРС одни приложения могут читать или записывать данные в

другие приложения, обмениваться событиями, оповещать друг друга о нештат-

ных ситуациях (тревогах), осуществлять доступ к данным, зарегистрированным

в архивах. Эти приложения

могут располагаться как на одном компьютере, так и

быть распределенными по сети. Реализация ОРС основана на объектной модели

COM/DCOM фирмы Microsoft. COM (Component Object Model) – модель много-

компонентных объектов, позволяющая вызывать те или иные функции (методы)

этих объектов так, как будто объекты находятся «рядом». Объект может нахо-

диться и в самом деле рядом в адресном пространстве

приложения – тогда это

просто СОМ. Если же объект находится в другой программе на том же компью-

тере или на другом узле сети, то это DCOM – Distributed (распределенная) СОМ.

По сути DCOM – универсальная распределенная модель компонентного объекта.

Особый класс ОРС-приложений представляют собой ОРС-серверы кон-

кретных аппаратных устройств. Они создают своего рода абстракцию

аппара-

туры, позволяя любому ОРС-клиенту записывать и считывать данные с устрой-

ства. Устройство, для которого есть ОРС-сервер, может использоваться вместе с

любой современной SCADA-системой.

ОРС-взаимодействие основано на схеме клиент-сервер. ОРС-клиент, на-

пример SCADA, вызывая определенные функции объекта ОРС-сервера, подпи-

сывается на получение определенных данных с определенной

частотой. В свою

очередь, ОРС-сервер, опросив физическое устройство, вызывает известные

функции клиента, уведомляя его о получении данных и вручая сами данные. Та-

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-47

ким образом, при ОРС-взаимодействии используются как прямые (от клиента к

серверу), так и обратные (от сервера к клиенту) вызовы. В настоящее время на-

считывается более 1000 серверов ОРС для аппаратуры ведущих мировых произ-

водителей.

Фактически ОРС сегодня признан в качестве стандартного механизма

взаимодействия программного обеспечения АСУ ТП.

GENESIS–32 включает в себя

следующие приложения:

• GraphWorX32–система визуализации и диспетчерского управления

технологических параметров.

• TrendWorX 32–система построения графиков и архивирования дан-

ных.

• AlarmWorX32–система обнаружения аварийных событий и оповеще-

ния персонала.

GraphWorX32 реализует интерфейс человек-машина (MMI). Основные

характеристики GraphWorX32:

• многопоточное 32-разрядное приложение;

• мощные инструменты для создания экранных форм и динамических

элементов отображения;

• встроенная среда редактирования сценарных процедур Visual Basic

for Applications 6.0;

• средства разработки шаблонов экранных форм, содержащих наиболее

часто используемые слои графических объектов;

• обширная библиотека элементов отображения, ориентированных на

построение мнемосхемы промышленных объектов;

• возможность встраивания графиков TrendWorX32 и журналов собы-

тий и тревог AlarmWorX32.

GraphWorX32 имеет в своем составе полный набор средств

рисования и

анимации, объединенных в объектно-ориентированную среду разработки техно-

логической графики. Проект состоит из совокупности экранных форм, каждая из

которых хранится в отдельном файле в каталоге проекта. Разработка экранных

форм выполняется с помощью инструментов рисования, встраивания графиче-

ских изображений из метафайлов и файлов растровых изображений, а также пу-

тем использования

обширной библиотеки встроенных стандартных символов.

Каждый элемент отображения может быть связан с переменной процесса и ото-

бражать ее значение или состояние.

GraphWorX32 является полнофункциональным контейнером ActiveX и

объектов OLE и позволяет вставлять в рабочую область окна экранной формы

элементы управления ActiveX, разработанные фирмой Iconics, а также любых

других производителей.

ActiveX-технология позволяет создавать экранные формы,

состоящие из

ранее разработанных компонентов, как из кубиков. Сегодня можно говорить о

том, что современный процесс генерации конечного приложения (программы)

все более напоминает не традиционный процесс разработки прикладного про-

граммного обеспечения, а процесс компонентной сборки. При этом соответст-

венно изменяется и характер труда прикладного программиста. В настоящее

время формируется открытый рынок

ActiveX-компонентов и появляются фирмы,

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-48

специализирующиеся на выпуске подобной продукции. Это позволяет систем-

ному программисту использовать в рамках современной SCADA-системы до-

полнительные ActiveX-компоненты, разработанные самостоятельно или приоб-

ретенные у поставщиков. В GraphWorX32, кроме того, имеется возможность

встраивания документов текстового процессора MS Word, рабочих листов и диа-

грамм MS Excel, а также видеороликов и других элементов управления OLE.

Данная функциональная возможность GraphWorX32 является одним

из наиболее

уникальных свойств пакета, обеспечивающих универсальный механизм исполь-

зования разработок в области технологической и деловой графики разных про-

изводителей в проектах, создаваемых средствами GENESIS–32.

Экранные формы, создаваемые с помощью GraphWorX32, могут быть

насыщены графическими объектами и элементами отображения, форма и поло-

жение которых зависят от значений и состояний контролируемых параметров в

прикладной области, а также от действий персонала, эксплуатирующего систе-

му.

Любому элементу отображения и графическому объекту может быть по-

ставлен в соответствие один или несколько способов динамизации (изменение

размера по вертикальной и горизонтальной осям, изменение цвета, перемеще-

ние, вращение и др.) в зависимости от связанного с ним параметра.

GraphWorX32 содержит библиотеку

символов технологической и дело-

вой графики, которая позволяет значительно улучшить внешний вид экранных

форм и создавать интуитивно понятные мнемосхемы технологических процес-

сов. Одним из наиболее привлекательных качеств библиотеки символов является

возможность ее расширения и дополнения пользователем путем создания собст-

венных символов.

TrendWorX32 является многооконным приложением, которое предна-

значено для выполнения следующих

основных функций:

• представление контролируемых параметров в виде графики (трендов)

различных типов в реальном масштабе времени;

• архивирование значений контролируемых параметров;

• вычисление статистических характеристик выборок значений контро-

лируемых параметров;

• извлечение значений контролируемых параметров из архивов и пред-

ставление в виде графиков различных типов;

• передача информации в базы данных

(МS Access, MS SQL Server,

Oracle и др.);

• обеспечение механизма извлечения информации из баз данных и пе-

редачи подсистемам построения графиков и визуализации;

• вывод графиков на печатающее устройство.

TrendWorX32 является клиентом ОРС, поддерживающим технологии

ActiveX и OLE, и может использоваться как совместно с другими компонентами

GENESIS–32, так и с приложениями других производителей.

TrendWorX32 является многооконным контейнером

ActiveX, который

может запускаться как автономно, так и одновременно с другими компонентами

GENESIS–32. Каждое окно TrendWorX32 содержит элементы управления, с по-

мощью которых выполняется графическое представление неограниченного ко-

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-49

личества контролируемых параметров и внутренних переменных проекта. По-

скольку TrendWorX32 является клиентом ОРС, имеется возможность построения

графиков значений параметров, сбор которых ведется на узлах глобальной сети

Internet и локальной вычислительной сети предприятия.

AlarmWorX32 является мультимедийным приложением, которое предна-

значено для выполнения следующих основных функций:

• голосовое оповещение персонала об обнаруженных аварийных ситуа

циях;

• рассылка электронных извещений об аварийных событиях посредст-

вом пейджинговой связи и электронной почты;

• оповещение персонала путем автоматического дозвона по коммути-

руемым каналам связи с передачей сообщений об аварийных событи-

ях и приемом подтверждений восприятия от ответственных лиц;

• персональное планирование оповещения для задействования только

дежурного персонала;

•

анализ аварийных событий и действий ответственного персонала;

• объединение всех аварийных событий и подтверждений восприятия

системных сообщений ответственным персоналом в сводки аварий-

ных событий;

• отображение вспомогательной информации для аварийных событий,

позволяющей локализовать и устранять причины аварии.

AlarmWorX32 является клиентом ОРС, поддерживающим технологии

ActiveX и OLE, и может использоваться как совместно с

другими компонентами

GENESIS–32, так и с приложениями других производителей.

Для каждого технологического параметра, контролируемого системой,

могут быть заданы условия, наступление которых воспринимается системой как

аварийная ситуация. Технологические параметры, проверяемые на выполнение

условий аварийных ситуаций, объединяются в группы, каждой из которых мо-

жет назначаться свой приоритет, а также устанавливаться список лиц, ответст-

венных за принятие мер по устранению причины и ликвидации последствий ава-

рии.

Системное администрирование и управление правами доступа. Пакет

GENESIS имеет мощные встроенные средства системного администрирования и

управления правами доступа к информации, связанной с системой. Все лица,

имеющие отношение к системе управления технологическим процессом, с по-

мощью сервера системного администрирования вносятся

в список допускаемых

к системной информации. При этом имеется возможность создания групп ответ-

ственных лиц по занимаемым должностям и уровню ответственности. Наивыс-

шим правом доступа обладает системный администратор. Остальной персонал,

допущенный к системным функциям и системной информации, получает огра-

ниченные права.

Глава 2. Архитектура современных программных средств

2-50

2.5.3. SIMATIC WinCC – модульная SCADA-система

для мониторинга технологических процессов

В настоящее время этот программный продукт занимает первое место в

Европе среди SCADA-систем. Он базируется на распространенных ОС Windows

95/98/NT.

В основной комплект WinCC входят следующие модули:

• Alarm Logging (служба сообщений) – предназначен для ввода сооб-

щений о ходе контролируемого технологического процесса во время

работы WinCC-приложения,

подтверждения сообщений оператором и

ведения архивов этих сообщений. Система состоит из двух частей –

системы конфигурирования и системы исполнения. Система конфи-

гурирования служит для создания таких параметров сообщений, как

условия их возникновения, а также для задания параметров архива

сообщений. Система исполнения предназначена для вывода сообще-

ний на экран и их архивирования во

время работы (служба сообще-

ний), а также для ввода сообщений о ходе контролируемого техноло-

гического процесса во время работы WinCC-приложения.

• User Administrator Text Library (администратор пользователей) –

предназначен для контроля прав доступа пользователей WinCC-

приложения. Каждому пользователю в режиме конфигурирования

WinCC-приложения или во время его выполнения могут быть при-

своены определенные «уровни доступа

» Как и все другие WinCC-

редакторы, User Administrator состоит из двух частей – системы кон-

фигурирования и системы исполнения. Система конфигурирования

отвечает за создание новых пользователей, изменение паролей и оп-

ределение уровней доступа. Назначение системы исполнения – кон-

троль прав доступа, как во время выполнения приложения, так и во

время его редактирования.

• Text Library (поддержка различных

языков) – предназначен для соз-

дания библиотеки соответствий слов или символов. Это необходимо,

когда текст может отображаться на двух или более языках.

• Report Disigner (встроенный генератор отчетов) – предназначен для

проектирования видов отчетов, которые могут содержать информа-

цию в виде таблиц или графиков.

• Global Sсripts (подсистема обработки событий) – позволяет делать

проект

динамичным в зависимости от требований.

• Tag Logging (подсистема архивирования параметров) – предназначе-

на для создания оперативных и долговременных архивов. Совместно

с редактором представляются средства для табличного и графическо-

го отображения значений в базе данных.

• Graphics Designer (графический редактор) – предназначен для созда-

ния мнемосхем и содержит богатую библиотеку стандартных графи-

ческих объектов.

При этом для каждого графического объекта опре-

делен набор свойств, которые могут изменяться во время исполнения

приложения. Graphics Designer поддерживает технологию OLE, что