Контроллер для распределенных информационно-управляющих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Содержание

Обозначения и сокращения

Введение

1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Обзор систем мониторинга и управления распределенными объектами

1.2 Обзор контроллеров и встраиваемых компьютеров

1.3 Выводы

2. Постановка задачи

2.1 Описание современного состояния системы ПоТок-С

2.2 Модернизация подсистемы ПТС-2

3. Описание контроллера ask-lab

3.1 Назначение и основные функции контроллера ASK-LAB

3.2 Технические характеристики контроллера

3.3 Аппаратное обеспечение контроллера

3.4 Программное обеспечение контроллера

3.5 Описание обмена данными

3.6 Обеспечение робастности и защиты информации

4. Модернизация контроллера

4.1 Постановка задачи

4.2 Модернизация аппаратной части контроллера

4.3 Модернизация программного обеспечения контроллера

4.4 Модернизация программного обеспечения ПК

Заключение

Список использованных источников

Обозначения и сокращения

ПТК - программно-технический комплекс;

АПК - аппаратно-программный комплекс;

ИС - информационная система;

ИИС - информационно-измерительная система;

ИУС - информационно-управляющая система;

РИУС - распределенная информационно-управляющая система;

ПК - персональный компьютер;

КИП - контрольно-измерительный прибор;

УСО - устройствами связи с объектом;

АСУТП - автоматическая система управления технологическим процессом;

ЭЦРТ - электронный цифровой регулятор температуры;

ТК - технологический контроллер;

СДМУ - система дистанционного мониторинга и управления;

ББП - блок бесперебойного питания;

«ГТС» - «Городские Тепловые Сети»;

ПД - пульт диспетчера;

АРМ - автоматизированные рабочие места;

АТС - автоматическая телефонная станция;

ДПС - диспетчерский пункт системы;

АУЭ - автоматизированный учет энергии;

ЖК - жидкокристаллический;

ПО - программное обеспечение;

СУБД - система управления базой данных;

ОСРВ - операционная система реального времени;

мОСРВ - микрооперационная система реального времени;

Введение

контроллер компьютер аппаратный

Реформа ЖКХ, проводимая в России, делает чрезвычайно актуальной проблематику, связанную с распределенными информационно-управляющими системами, предназначенными для управления системами жизнеобеспечения объектов городского хозяйства. В России работы по созданию экспериментальных систем такого рода ведутся на протяжении последних десяти лет. Толчком к их развитию послужило принятие в 1996 году закона РФ “Об энергосбережении”.

Анализ сложившейся ситуации к началу работ по созданию коммерческих систем учета был выполнен в работах [1], [2]. В этих работах рассмотрена специфика и системные аспекты создания чисто информационных систем.

В промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве страны имеется огромное количество таких объектов, как котельные, теплопункты, канализационные насосные станции, водоподкачивающие станции и т.п. Функциональные обязанности персонала подобных объектов (часто малоквалифицированного) сводятся, как правило, к наблюдению за работой агрегатов и механизмов и простейшим функциям управления (включение/выключение оборудования в заданные моменты времени и т. п.). Для устранения возникших нештатных ситуаций или аварий обслуживающий персонал вынужден вызывать квалифицированных специалистов. Для обеспечения работы таких объектов требуется большая численность персонала, и в целом, весь комплекс эксплуатационных и противоаварийных мероприятий является дорогостоящим.

Современный уровень развития вычислительной техники и средств связи позволяет перевести большинство подобных объектов на автоматический режим работы с предоставлением возможности дистанционного мониторинга и управления сетью объектов с единых диспетчерских пунктов. Такой подход приводит к снижению затрат на эксплуатацию объектов, позволяет сократить численность их персонала при одновременном существенном улучшении качества обслуживания, решении задачи автоматизированного учета и оптимизации управления технологическими процессами. Получение объективной информации позволяет реально оценивать истинное состояние объектов и их оборудования, что обеспечивает принятие обоснованных решений для планирования opганизационно-технических мероприятий.

Дипломная работа посвящена модернизации распределенной информационно-управляющей системы ПоТок-С для филиала ПТС ОАО “Северо-Западный Телеком”, которая была сдана в опытную эксплуатацию в 2005 году [3],[4]. Следует сказать, что ОАО “Северо-Западный Телеком” была одной из первых организаций в России, в которой в 1996 году начались работы по использованию систем для мониторинга режимов теплоснабжения и коммерческого учета потребления тепла сооружениями этой организации. Сложившаяся инфраструктура позволила в рамках выполнения этого проекта провести ряд исследований и демонстрационных экспериментов, результаты которых представляют интерес для системных интеграторов подобного рода проектов, а также для целого ряда смежных областей.

В рамках дипломного проекта был решен целый комплекс задач, связанных с необходимостью проведения модернизации как аппаратных, так и программных компонент системы , а также участия непосредственного участия в пуско-наладочных работах при передаче системы Заказчику в лице ОАО “Северо-Западный ТЕЛЕКОМ”.

В настоящее время система эксплуатируется в штатном режиме.

1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Обзор систем мониторинга и управления распределенными объектами

Научно-библиографический поиск проводился для обзора современных идей, методов и примеров практического построения информационных и информационно-управляющих систем для диспетчерского контроля и управления распределенными объектами. Поиск вёлся по следующим источникам: журнал «Датчики и системы», журнал «Энергосбережение», журнал «Системная интеграция», труды конференции «Коммерческий учет энергоносителей», журнал «Системы Технологической автоматизации», материалы сайтов www.rtservice.ru, www.logika.spb.ru.

Результаты обзора распределенных информационно-управляющих систем сведены в таблицу 1.1.

Следует отметить одну важную особенность систем подобного рода. В силу значительного масштаба и достаточно большой стоимости эти системы обладают значительной инерцией в смысле возможности изменения в однажды принятых концептуальных решениях. Как правило, модернизация такого рода систем осуществляется в условиях действующего производства, что существенно усложняет требования к качеству реализации. В полной степени с этим пришлось столкнуться при выполнении дипломной работы.

Как показал анализ литературных источников наиболее близкой по функциональным возможностям к системе ПоТок-С является система ИНТЕК» [9] описывается новая измерительная система коммерческого учета. Эта система была разработана при участии ведущих специалистов в области теплотехники, систем водоучета и гидродинамики. Система представляет собой программно-аппаратный информационно-вычислительный комплекс, способный решать широкий круг прикладных задач.

Таблица 1.1 Обзор систем используемых в ЖКХ

Название, Назначение	Верхний уровень системы	Нижний уровень системы	Коммуникация Количество узлов
КРУГ 2000 [5] ИУС для коммерческого учета тепловой энергии и газопотребления для крупных промышленных предприятий	ЛВС (сеть предприятия) с возможностью входа сторонних пользователей посредством браузера Internet	Цифровые интеллект. датчики и контроллеры с интерфейсами RS-232,RS-485,Ethernet	Витая пара и локальные проводные соединения Проектная спецификация - до 30 000.
Синтал Телетерм [6] ИУС для автоматического регулирования тепловых режимов крупного сооружения (Дворец спорта в г. Волгограде), отапливаемого электрокотлами	ПК c ПО, обеспечивающем мониторинг состояния объектов, задание режимов регулирования, дистантное управление, обработку учетной информации	Цифровые регуляторы ЭЦР-ХРОНО подкл. к контролл. ЭЦРТ-ТЕЛЕТЕРМ	Радиоканал на GSM модемах В системе используется 96 датчиков DS18S20 и 17 силовых шкафов управления электрокотлами.
КАРАТ [7] Автоматизированная система контроля и коммерческого учета режимов теплоснабжения городских объектов городской инфраструктуры (г.Калининград).	Ведущий и резервный диспетчерский пульты, реализованные на ПК, об. по ЛВС	Шкаф управления На базе ADAM -5510 ADAM-501H ADAM-5050 ADAM3854	сети сотовой связи GSM на модемах Siemens TC35 Terminal Проектная спецификация до 50 теплопунктов
Телескоп+ [8] Автоматизированная ИУС для коммерческого учета потребляемых энергоресурсов и воды и регулирования тепловых режимов объектов ЖКХ (г.Сургут)	АРМ ы диспетчеров, операторов и пользователей системы	Контроллеры ПИК-УВП, ПИК2	Сбор информации осуществляется по радиоканалу (УКВ), комм. тел. линия. 100 узлов
«Интек» [9] ИУС тепло- и водоучета, диспетчеризация различных промышленных объектов.	центральный компьютер с ПО обеспечивающим мониторинг. Возможно управление процессами	контроллеры SCADAPack или DirectLOGIC, приборы учета воды и тепла, оборудование SonyEriccson, Wavecom для передачи по GSM каналу	каналы проводной связи, ADSL, GSM, GPRS До 500 (по GSM каналу)
Логика [10] Информационно-измерительная система коммерческого и технического учета энергоресурсов	сбор и соответствующее представление информации обеспечивается единым программным комплексом СПСеть	серийно-выпускаемые спец. вычислители, преобра-зователи, счетчики ЗАО НПФ ЛОГИКА	Коммутируемые и некоммутируемые линии связи, радиоканал. неизвестно

Система обладает рядом отличительных особенностей:

область применения системы не ограничивается только тепло- и водоучетом. Вторая часть системы «ИНТЕК» -- диспетчеризация различных промышленных объектов;

передача данных по каналам проводной связи, ADSL, GSM, GPRS;

все протоколы передачи данных являются открытыми. Кроме того, применяются протоколы, только хорошо зарекомендовавшие себя с точки зрения помехозащищенности и устойчивости к сбоям (MODBUS, ProfiBUS);

все ПО специально разработано для создания подобных приложений. На базе программного продукта FactorySuite InTouch.

С точки зрения архитектурных особенностей систему можно разделить на две части. Первая отвечает за сбор данных с приборов учета. Система функционирует в автономном режиме, и при отключении ПК информация с приборов учета не теряется. Система «ИНТЕК» формирует отчеты о потреблении энергоносителей за любой промежуток времени и производит самодиагностику аппаратуры.

Кроме этого система может быть настроена для решения любых задач АСУ ТП, обеспечивая полный контроль над технологическими процессами производств. Более того, программное обеспечение настраивается так, что кроме контроля технологических параметров контролируется также и работа обслуживающего персонала. Наличие кнопок дисциплинирующего контроля, определение присутствия оператора на рабочем месте снижает вероятность ошибки персонала.

В качестве базовых аппаратных средств среднего уровня автоматизации в системе «ИНТЕК» использованы высоконадежные контроллеры SCADAPack или DirectLOGIC, выбор которых осуществляется исходя из условий эксплуатации.

При организации передачи данных в системе «ИНТЕК» предусмотрено несколько вариантов. Так, например, возможно использование обычных каналов передачи данных (по проводным линиям связи). Однако в этом случае на реализацию системы накладываются некоторые ограничения, такие как длина линии и сложности по прокладке кабеля. Поэтому система «ИНТЕК» предусматривает использование альтернативных каналов передачи данных, таких как ADSL, GSM, GPRS.

Примеры систем, представленные в таблице 1.1., отражают ряд характерных тенденций в развитии систем коммерческого учета. Отобранные примеры отражают отчетливую тенденцию перехода от чисто информационных систем (ИС) к информационно-управляющим системам (ИУС), так как только последние обеспечивают возможность реальной экономии средств. Второй вывод, который следует из обзора, заключается в том, что до настоящего времени ведется как выбор каналов связи для сбора информации с объектов и передачи команд управления, так и аппаратного обеспечения нижнего уровня.

1.2 Обзор контроллеров и встраиваемых компьютеров

Научно-библиографический поиск проводился для обзора современных контроллеров и встраиваемых компьютеров, используемых для работы в составе информационно-управляющих системах. Поиск вёлся по следующим источникам: каталог «RTSoft Средства и системы автоматизации. Каталог продукции», журнал «Системная интеграция», труды конференции «Коммерческий учет энергоносителей».

Результаты обзора используемых аппаратных средств сведены в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 Сравнение характеристик различных контроллеров и встраиваемых компьютеров. К - контроллер; ВК - встраиваемый компьютер.

Название	Тип	Процессор	Память	Коммуникация	Вводы/ выводы	ОС/мОСРВ	Средства разработки ПО	Цена, $
ThinkIO	К	Geode 5C1200, 266 МГц	SDRAM: 128 Мб RAM: 128 Кб	2xUSB1.1, RS232, 2x Ethernet 10/100, PROFIBUS-DP, CANopen,	2xDI, 2xDO	Windows CE, Linux	CoDeSys, lSaGraf, ОРС Driver, SOPH.I.A., CFC 6	~1000
SCADAPack	К	32-разрядный, 120 МГц	RAM: 8 Мб, Flash: 4 Мб	Ethernet, модули для работы с радиомодемами, спутниковой и сотовой связью	до 40 модулей	нет	язык релейной логики, C/C++, lSaGraf	~300
NetCore	ВК	300/500 МГц, MIPS32	RAM: до 64 Мб, Flash: до 16 Мб	Ethernet 10/100, RS232, RS485, USB 1.1, IDE	нет	Linux 2.4	C/C++, ПО совместимое с Linux	250 - 300
InorTek	К	Микро-контроллер i80C188	RAM: до 512 Кб, EEPROM: до 64 Кб	MODBUS/RS, Ethernet 10/100	8xAI, 4xAO, 10xDI, 10xDO	нет	C/C++,встроен библиотеки ПИ/ ПИД-регулирован ШИМ-управления	215 - 359
"Контар" МС8	К	неизвестно	Flash: 60 Кб, RAM: 30Кб	RS232, RS485 Ethernet 10/100,	8xAI, 8xAO, 4xDI, 8xDO	Уникальная, записана производи-телем	КОНГРАФ, Алгоритмы для управления конкретными технологическими процессами	400 - 550
UN0-2052	ВК	GX1 300 МГц	RAM: 64/128 Мб	ModBus/ RTU, 2x CAN, Ethernet 10/100, RS232	2xAI,4xDI 4xDO	Windows CE .NET	ПО совместимое с Windows CE .NET	неизвестно
Siemens Simatic S7-200	К	20 МГц	EEPROM: 24 Кб, SRAM: 10 Кб	2x RS485	24xDI, 16xDO	неизвестно	STEP 7 Micro/Win, LAD, STL (список инструкций), FBD	неизвестно

Можно утверждать, что к настоящему времени на практике используется широкий спектр разнообразных решений.

В качестве наиболее близкого к контроллеру ASK Lab, можно указать контроллер "КОНТАР" МС8. [11]

Комплекс модулей "КОНТАР" -- совместная российско-американская разработка (МЗТА - Arecont Systems, Inc) -- основан на новейших информационных технологиях и уже проверен во многих проектах различной сложности (системы жизнеобеспечения зданий, объекты ЖКХ, автоматизация цехов и т.п. в России и США).

Контроллеры измерительные МС8 (далее МС8) предназначены для сбора информации и реализации разнообразных алгоритмов автоматизированного управления технологическими процессами. Контроллеры МС8 являются основным (базовым) элементом комплекса КОНТАР.

Контроллеры комплекса "КОНТАР" прошли сертификационные испытания как средство измерения и на электромагнитную совместимость в России и США. Имеется разрешение на их использование на объектах, подведомственных ГОСГОРТЕХНАДЗОРу.

Идеология построения MC8 позволяет использовать его как в качестве автономного контроллера, так и объединять нужное количество контроллеров в локальные сети и сложные иерархические системы, осуществлять управление и сбор информации от разнообразных источников, передачу ее по единому каналу связи, в том числе с использованием сети Интернет.

Система модулей обеспечивает возможность реализации следующих функций:

измерение и преобразование в цифровую форму сигналов, поступающих от аналоговых и дискретных датчиков технологических параметров;

формирование дискретных и аналоговых выходных сигналов для воздействия на технологический процесс;

реализация алгоритмов функционирования, необходимых для управления конкретными технологическими процессами (например, аналоговое или импульсное ПИД-регулирование, различные виды формирования задания, в том числе с возможностью изменения в реальном времени, программно-логическое управление, автоматическое включение резервного оборудования и т.д.);

архивирование событий во внутренней памяти контроллера;

вывод информации на дисплей встроенного пульта оператора, карманного компьютера (PDA) или на экран монитора персонального компьютера через интерфейс RS232C, Ethernet;

обеспечение связи через различные интерфейсы (RS485 между контроллерами и другими модулями, RS232С с периферийными устройствами, Ethernet при работе в локальной сети и сети Интернет).

Для реализации управляющих функций имеется возможность использования:

- 4 дискретных входов;

- 8 аналоговых входов;

- 8 дискретных выходов;

- 8 аналоговых выходов,

и наиболее распространенных коммутационных интерфейсов, обеспечиваемых отдельными модулями:

- RS232С;

- RS485, с гальванической изоляцией;

- Ethernet.

Кроме этого имеются специализированные модули расширения:

- интерфейсный субмодуль WebLinker (Ethernet и RS232C);

- коммуникационный модуль (GPRS/CDMA);

- пульт MD8.2 (внешний) Применяется для щитового утопленного монтажа. Соединение пульта с контроллером осуществляется через интерфейсный субмодуль SPI.

Модули обладают часами реального времени и календарем. Пользовательский интерфейс обеспечивается с помощью;

- 2-х строчный дисплея;

- 4-х кнопочной клавиатуры

- индикация - 8 светодиодов состояния дискретных выходов.

Низкоуровневое программное обеспечение реализуется на базе собственной микрооперационной системы Программное обеспечение верхнего уровня разрабатывается при помощи графической инструментальной системы КОНГРАФ.

1.3 Выводы

Как показал выполненный обзор в настоящее время в исследуемой предметной области ведется интенсивный поиск инженерных решений, что не позволяет рекомендовать какую-либо аппаратно-программную платформу в качестве безусловного лидера. Продукция различных производителей обладает схожими функциональными возможностями, однако отличается в аппаратной реализации и стоимости. Видно также, что до настоящего времени проводится экспериментальное изучение концептуально-новых решений.

В качестве примера следует указать на систему нового поколения, в состав который включен мобильный робот [12], используемый для слежения за ситуацией на электрической подстанции напряжения 500000 Вольт.

В Китае до сих пор трансформаторные подстанции обслуживались только людьми, безопасность которых не была гарантирована из-за сетей, постоянно находящихся под высоким напряжением, и часто тяжелых погодных условий.

Четырехколесный робот, разработанный Шандонгским научно-исследовательским центром электрической энергии, - первый робот в стране, который был использован для ведения наблюдения поблизости от сильных магнитных полей трансформаторной подстанции, работающей под высоким напряжением.

Ученые из Шандонгского центра заявили, что во время проведения эксперимента робот мог как выполнять функции рабочих самостоятельно, так и подчиняться командам рабочих. Он сразу же реагировал на перегревы, любое постороннее тело, попадавшее на провода и т.д.

Можно констатировать, что в современных системах коммерческого учета контроллеры становятся одним из наиболее важных компонентов, промежуточным звеном в цепи обмена данными между полевым оборудованием (теплосчетчиками, электросчетчиками, датчиками и исполнительными механизмами) и средствами АСУ ТП верхнего уровня (рабочими станциями технологов, серверами, офисными компьютерами управленческих, коммерческих и технических отделов).

Ключевым звеном подобных устройств является микропроцессорная платформа (совокупность аппаратно-программных возможностей устройства, используемой операционной системы и средств разработки программного обеспечения), от которой часто зависит возможность применения устройства в конкретной системе. Одним из основных факторов выбора контроллера или встраиваемого компьютера является возможность простой, быстрой и качественной разработки программного обеспечения (ПО). Производители предлагают широкий ассортимент программно-инструментальных средств разработки ПО для их продукции. Однако, эти средства, как правило, для устройств конкретного производителя уникальные, и стоимость их может быть на порядок дороже самих устройств.

2. Постановка задачи

Дипломная работа “Контроллер для распределенных информационно-управляющих систем ” была выполнена в рамках реализуемого на практике проекта по модернизации эксплуатирующейся распределенной информационно-управляющей системы ПоТок-С для филиала ПТС (Петербургские Телефонные Сети) ОАО “Северо-Западный Телеком”.

Фактически, выполненная работа касалась всех уровней системы, так как проект предусматривал:

модернизацию аппаратной части контроллера нижнего уровня;

обновление существующего ПО нижнего уровня;

обновление существующего ПО верхнего уровня;

проведение необходимых экспериментов по апробации предлагаемых решений;

выполнение монтажно и пуско-наладочных работ.

Для лучшего понимания сути проекта и задач, решаемых в рамках дипломной работы, ниже приведено описание проблематики (система ПоТок-С и контроллер ASK-Lab).

2.1 Описание современного состояния системы ПоТок-С

В 2005 г. в OAO ПТС [3],[4] запущена в опытно-промышленную эксплуатацию распределенная информационно-управляющая система (РИУС) ПоТок-С, предназначенная для мониторинга режимов теплоснабжения, коммерческого учета потребления тепла сооружениями этой организации, а также обеспечения ряда функций по дистанционному управлению режимами теплоснабжения объектов. Структура системы представлена на рисунке 2.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Верхний уровень системы представлен ДПС, в котором организовано несколько рабочих мест: АРМы диспетчера, администратора, коммерческого учета и инженера. АРМы объединены в ЛВС.

Нижний уровень системы образуют более 100 зданий АТС, расположеных в разных районах города СПб. Эти здания отапливаются с использованием городских ТЭЦ и оборудованы средствами учета и регулировки подачи горячей воды в отопительную систему АТС.

Коммуникационная составляющая системы организована посредством модемной связи с использованием телефонных линий общего пользования. При этом каждой станции выделена только одна телефонная линия.

В настоящее время объекты ПТС можно разделить на две группы по признаку наличия автономного контура регулирования тепловым режимом станции: ПТС-1 и ПТС-2 (рисунок 2.2).

Узлы учета ПТС-1 оборудованы только теплосчетчиками (рисунок 2.3), позволяющими дистанционно считывать параметры системы теплоснабжения, как-то:

температура и давление воды;

объемный либо массовый расход воды;

перенесенная тепловая энергия в подающем и обратном трубопроводе (на входе и выходе системы отопления АТС).

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Данные с теплосчетчиков снимаются в ручном или автоматическом режиме (по расписанию) и используются для выявления нештатных ситуаций, например нарушение температурного режима АТС, нарушение договорных показателей отопления, прорыв трубопровода и т.д.

Узлы учета ПТС-2 кроме теплосчетчика оборудованы контроллером ECL Comfort 300 (рисунок 2.4), который в соответствии с заданными параметрами осуществляет автономное регулирование тепловым режимом станции.

Функции управления в подсистеме ПТС-2 реализованы на базе специализированного контроллера ASK-Lab, разработанного в СКБ Государственного Университета Аэрокосмического Приборостроения. Внешний вид контроллера в подвале ПТС представлен на рис. 2.5.

Узлы теплоснабжения, входящие в подсистему ПТС-2 снабжены автоматизированными задвижками (рисунок 2.6), управление которыми может осуществляться как теплорегулятором ECL COMFORT-300 в автономном режиме, так и в режиме ручного управления с АРМ инженера.

Одной из главных функций контроллера ASK-Lab является обеспечение возможности принятия экстренных мер в случае возникновения аварийных ситуаций в отопительной системе АТС. Исполнительными устройствами, подключенными к контроллеру, являются два электропривода и клапан слива воды. Так, в случае аварии в режиме ручного управления с АРМ инженера подсистемы ПТС-2 можно дистанционно перекрыть воду в трубах, открыть клапан для слива воды и таким образом предотвратить порчу дорогостоящего оборудования.

2.2 Модернизация подсистемы ПТС-2

В таком виде (подраздел 2.1) система эксплуатировалась до сентября 2007 года. На основании накопленного опыта у Заказчика появились требования к усовершенствованию РИУС ПоТок-С.

В рамках дипломного проекта решались поставленные Заказчиком задачи по модернизации подсистемы ПТС-2, а именно:

1) Принудительное выключение электромоторов по истечении тайм-аута;

2) Обеспечение контроля положения задвижек;

3) Повышение надежности каналообразующей аппаратуры.

Модернизация ПТС-2 потребовала изменений на нескольких уровнях системы:

1) Аппаратное обеспечение контроллера ASK-Lab;

2) Программное обеспечение контроллера ASK-Lab;

3) Программное обеспечение АРМ инженера.

Работы по модернизации подсистемы ПТС-2 велись в межотопительный сезон 2007 года и составляют суть дипломного проекта.

3. Описание контроллера ask-lab

3.1 Назначение и основные функции контроллера ask-lab

Контроллер ask-lab разработан в СКБ ГУАП и предназначен для работы в составе системы удаленного сбора данных с бытовых и промышленных счетчиков учета электрической энергии, воды, газа и т.д., а так же для удаленного управления электрическими устройствами (до 8-ми), например электродвигателями, освещением и т.д. Контроллер так же имеет дополнительные аналоговые и цифровые входы, позволяющие получать данные с датчиков температуры, давления и т.д.

Применительно к проекту ПТС, контроллер ASK-Lab предназначен для построения системы удаленного сбора данных с теплосчетчиков различного типа, удаленного управления регулятором температуры ECL Comfort 300, двумя задвижками и сливным клапаном. Так же контроллер позволяет осуществлять управление 3-мя дополнительно подключенными силовыми устройствами.

Основные функции контроллера:

* возможность обращения к 3-м устройствам по одной линии связи (контроллер ASK-Lab, теплосчетчик и контроллер ECL Comfort 300);

* настройка параметров контроллера;

* энергонезависимое хранение параметров;

* использование алгоритма ГОСТ 28147-89 для кодирования-декодирования данных;

* считывание данных (параметров) с теплосчетчиков и контроллера ECL Comfort 300;

* изменения параметров контроллера ECL Comfort 300;

* управление силовыми устройствами (до 8-и);

* протоколирование событий.

3.2 Технические характеристики контроллера

Технические характеристики контроллера приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Технические характеристики контроллера ASK Lab

Напряжение питания	5В
Потребляемый ток	400мА
Внешние интерфейсы	RS232 (3 канала с оптической развязкой)
Аналоговые входы	5
Кол-во выходов с силовыми реле	8
Номинальное напряжение силовых реле	12-220В
Номинальный ток силовых реле	1.5А
Пиковый ток силовых реле	10А (1 полупериод)
Входной диапазон АЦП	0..+5В
Разрядность АЦП	8/10 бит
Рабочая частота процессоров	9,216 МГц
Клавиатура	8 кн.
ЖКИ	символьный 2х16
Встроенные часы с календарем
Габаритные размеры	215х180х70мм

3.3 Аппаратное обеспечение контроллера

Конструктивно контроллер ASK-Lab состоит из двух частей: панель управления и коммуникационная панель, которые соединены между собой проводами. Такое конструктивное решение позволяет производит модификацию низкоуровневого программного обеспечения без демонтажа всего контроллера. На рисунке 3.1 приведен внешний вид контроллера, а в таблице 3.2. описан перечень основных элементов контроллера



Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Таблица 3.2. Состав контроллера (основные элементы)

Микропроцессор PIC18F458-I/PT	4
Часы с календарем DS1307	1
Корпус	1
ЖК-индикатор LCD SC160FSLB-XH-HS	1
Твердотельные реле ASO241	8
Клавиатура	1
Разъемы для подключения силовых устройств	8
разъемы DB-9	3
разъем питания	1
БП AC-DC ~220/ = 5V 1.5A	1
Комплект соединительных проводов	1

3.3.1 Панель управления контроллера

Панель управления обеспечивает всю логику работы контроллера и интерфейс с пользователем. Панель управления состоит следующих компонентов:

* Схема управления

* ЖК-индикатор

* Клавиатура

* Крышка корпуса

Схема управления, ЖК-индикатор и клавиатура конструктивно расположены на одной плате (далее плата управления).

Структурная схема контроллера ASK Lab приведена на рис. 3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

В полной конфигурации управляющая часть контроллера ASK-Lab содержит 4 микроконтроллера PIC18F458. Использование этого типа микроконтроллеров обеспечивает поддержку широкого спектра интерфейсов, используемых в промышленности, так как они реализованы на аппаратном уровне.

На микроконтроллерах построена одномастерная внутриплатная сеть на базе интерфейса I2С. Мастером сети является микроконтроллер, обозначенный на рисунке 3.4 буквой М. Все остальные устройства в сети работают по отношению к мастеру одинаково как периферия. На этой же шине весит RTC с автономным питанием от литиевой батареи.

Тактирование контроллера и сброс обеспечивает PLD. На контроллере имеется схема контроля питания (supervisor) которая в случае провалов по питанию обеспечивает перезапуск всего контроллера. Для обеспечения пользовательского интерфейса на контроллере установлена клавиатура и двух строчный ЖК-индикатор.

Контроллер имеет набор стандартных аппаратно реализованных коммуникационных интерфейсов с оптической развязкой. Кроме того, контроллер имеет внешний разъем, на который выведены порты с периферийных микроконтроллеров и с PLD. Наличие PLD на управляющей плате обеспечивает наращивание аппаратных возможностей контроллера за счет соответствующей модификации “прошивки”.

Для целей данного проекта оказалось возможным использование усеченного варианта, реализованного на трех микроконтроллерах, что несколько снизило цену аппаратной составляющей подсистемы:

* PIC_Master - является мастером сети, отвечает за коммуникацию с ПК (через модем, или без него) и др. функции контроллера;

* PIC_SPT - является подчиненным (slave) устройством сети, отвечает за коммуникацию с теплосчетчиком и управление силовыми устройствами;

* PIC_Danf - является подчиненным (slave) устройством сети, отвечает за коммуникацию с терморегулятором ECL Comfort 300.

3.3.2 Коммуникационная панель

Коммуникационная панель контроллера ASK-Lab служит для подключения силовых и периферийных устройств. Блок питания также подключается через разъем на коммуникационной панели. Коммуникационная панель состоит из следующих компонентов:

* Разъемы для подключения силовых устройств

* Разъемы для подключения периферийных устройств

* Разъемы для соединения с панелью управления

* Разъем питания

* Твердотельные реле

* Корпус

3.4 Программное обеспечение контроллера

Программное обеспечение контроллера ASK-Lab было разработано на основе мОСРВ A3 [13].

Ядро мОСРВ, драйвера и библиотеки являются неизменной частью каждой системы. Для удобства проектирования систем под мОСРВ A3 используется специальное инструментальное программное обеспечение Конструктор А3. Структура ПО контроллера ASK-Lab представлена на рисунке 3.7.

Системное ПО	Ядро мОСРВ	Ядро мОСРВ A3
	Драйвера устройств	I2C
		LCD
		USART (RS 232)
Прикладное ПО	Высокий приоритет прерываний	Прерывание 1
		…
		Прерывание K
	Фоновые задачи	Задача 1
		…
		Задача N

Рисунок 3.7 Структура ПО контроллера ASK-Lab

Код ядра мОСРВ A3 генерируется программно-инструментальной средой “Конструктор А3”.

Модули с кодами драйверов устройств собраны в универсальную библиотеку драйверов. Библиотека предназначена для использования в составе мОСРВ A3. Основной функцией библиотеки является программная поддержка аппаратных модулей микропроцессора PIC18 и поддержка аппаратно-программных интерфейсов между микропроцессором и другими устройствами. Изменяемой частью ПО контроллера является прикладное ПО - это программные модули, реализующие функции, специфичные для конкретного приложения контроллера. Прикладное ПО от версии к версии может изменяться, и дополняться новыми программными модулями. Системное ПО, как правило, остается неизменным (состав драйверов может меняться).

Учитывая специфику аппаратной части контроллера ASK-Lab, функции разделяются между микропроцессорами, входящими в его состав (условные обозначения микропроцессоров: PIC_Master - мастер сети, PIC_SPT и PIC_Danf - переферийные микропроцессоры). При написании ПО всей системы в целом следует особое внимание уделить вопросу межпроцессорного взаимодействия.

Функции микроконтроллера PIC_Master:

· обмен с ПК по интерфейсу RS-232 и протоколу Ask-Bus v 3.1 (выполнение команд, принятых с ПК, поддержка информационного обмена между ПК и процессорами PIC_SPT и PIC_Danf)

· обмен с процессорами PIC_SPT и PIC_Danf по интерфейсу I2C (PIC_Master - мастер сети)

· реализация процедуры ввода пароля (используется клавиатура и ЖК-индикатор, хранение пароля в EEPROM)

· ведение журнала событий (хранение в памяти FLASH)

· преобразование данных согласно алгоритму ГОСТ при выполнении команд, требующих разграничения доступа.

Функции микропроцессора PIC_SPT:

· обмен с теплосчетчиком по интерфейсу RS-232;

· обмен с процессором PIC_Master по интерфейсу I2C (PIC_SPT - подчиненное устройство);

· выполнение команд, принятых процессором PIC_Master с ПК;

· поддержка информационного обмена между ПК и теплосчетчиком;

· управление силовыми устройствами (по командам с PIC_Master).

Функции микропроцессора PIC_Danf:

· омен с терморегулятором ECL Comfort 300 по интерфейсу RS-232;

· омен с процессором PIC_Master по интерфейсу I2C (PIC_SPT - подчиненное устройство);

· вполнение команд, принятых процессором PIC_Master с ПК;

· пддержка информационного обмена между ПК и терморегулятором.

3.5 Описание обмена данными

3.5.1 Обмен данными между контроллером и ПК

Соответствие протоколов обмена между контроллером ASL-Lab и ПК семиуровневой модели OSI представлен на рисунке 3.8.

N	Уровень	Протокол
7	Прикладной	Определяется программой на ПК
6	Представления	ГОСТ 28147-89
5	Сеансовый	Определяется оператором системы
4	Транспортный	Специализированный алгоритм под каждый тип теплосчетчика
3	Сетевой	ASK-Bus v3.1
2	Звена данных
1	Физический	RS-232, пара модемов через КТСОП

Рисунок 3.8 Протоколы обмена между контроллером и ПК

Физический уровень образует пара модемов. Они обеспечивают интерфейс RC-232 через КТСОП.

Параметры обмена:

- скорость передачи данных 2400 или 9600 бит/сек (но максимальная скорость модемов 115200 бит/сек);

- Биты данных 8;

- Четность нет;

- Стоповые биты 1;

- Управление потоком нет.

Уровень звена данных и сетевой образует протокол ASK-Bus v3.1 - внутрифирменный протокол, собственная разработка СКБ ГУАП. Несмотря на то, что на сетевом уровне соединение между ПК и контроллером происходит по принципу «точка - точка», в протоколе ASKBus есть поле, отвечающее за адрес устройства в составе сети. В данном случае по этому полю определяется, какому из микроконтроллеров во внутриплатной сети I2C предназначена команда.

На уровне представления используется алгоритм ГОСТ 28147-89 для шифрации команд, защищенных паролем, например, для команды управления силовыми устройствами.

3.5.2 Обмен данными между контроллером и переферийными устройствами

Связь ПК с теплосчетчиком и теплорегулятором обеспечивается в режиме трансляции данных. Формирование/разбор пакетов при обмене данными с теплосчетчиком и теплорегулятором в данном режиме производится непосредственно на ПК.

Сформированный пакет на ПК для теплосчетчика (либо теплорегулятора) вкладывается в поле данных пакета ASK-Bus. После разбора принятого контроллером ASK-Lab пакета поле данных передается на конечное устройство. Ответ от устройства принимается контроллером и без дополнительной обработки так же вкладывается в поле данных пакета ASK-Bus, и отправляется обратно на ПК, где и происходит разбор ответа устройства.

Примечание - данный режим работы контроллера ASK-Lab позволяет относительно быстро собрать систему на базе практически любых устройств с поддержкой последовательного интерфейса USART, т.к. весь протокол обмена с данным устройством будет реализован на ПК. Этот режим может быть так же использован как отладочный.

Работа контроллера ASK-Lab с теплосчетчиком СПТ942

Режимы обмена данных контроллера с теплосчетчиком:

- Режим прозрачности - данные с ПК передаются на контроллер по интерфейсу RS-232 и протоколу обмена с теплосчетчиком. Контроллер, распознав начальный и конечный символы данного протокола, передает полученный пакет на теплосчетчик.

- Режим команд - данные с ПК передаются на контроллер по интерфейсу RS-232 и протоколу ASK-Bus. Пакет данных для теплосчетчика вкладывается в поле данных пакета ASK-Bus. Команда 0x00 протокола ASK-Bus - передача данных на периферийное устройство. Контроллер, по этой команде извлекает поле данных из пакета и передает на периферийное устройство.

Параметры обмена:

- скорость передачи данных 2400 бит/сек.;

- Биты данных 8;

- Четность нет;

- Стоповые биты 1;

- Управление потоком сигнал DTR (всегда активен).

Работа контроллера с тепловым регулятором ECL Comforе 300 Danfos

Регулятор температуры ECL Comfort 300 Danfoss является полностью самостоятельным устройством, регулирующим температуру воды в контуре горячего водоснабжения и в контуре водяного отопления.

Основными функциями контроллера при работе с ECL Comfort 300 являются функции удаленного мониторинга и изменения режимов работы регулятора.

При наличии дополнительного коммуникационного модуля ECA87 для ECL Comfort 300 появляется возможность получать дополнительную информацию с ECL Comfort 300 и непосредственно управлять исполнительными устройствами данного регулятора.

Для обмена данными контроллера с регулятором температуры ECL Comfort 300 Danfoss используется режим команд (описан выше).

Параметры обмена:

- скорость передачи данных 1200 бит/сек.;

- Биты данных 8;

- Четность да;

- Стоповые биты 1;

- Управление потоком нет.

3.6 Обеспечение робастности и защиты информации

Важность аспекта защиты информации применительно к ИС обсуждалась в работах [1], [2]. Особую актуальность этот аспект приобретает при реализации управляющих функций в распределенных системах, реализуемых на сетях общего пользования.

В работах[1], [2] была предложена концепция использования многоуровневой системы защиты информации в распределенных системах коммерческого учета. Эта концепция с рядом модификаций была реализована в проекте ПоТок-С.

При посылке команд управления сетевые пакеты с командами и ответные пакеты должны быть преобразованы. Пакет, посылаемый с ПК, преобразуется с использованием ключа, производного от пароля, введенного инженером АРМ. Для преобразования данных используется алгоритм ГОСТ 28147-89 с постоянной таблицей замен.

При получении пакета ПО контроллера делает обратное преобразование (в режиме реального времени) с использованием ключа, производного от пользовательского пароля (введенного на контроллере, аналогичному паролю ПО АРМ). Если контрольная сумма преобразованного блока корректна, производится проверка условия: принятое значение времени больше записанного в памяти контроллера. Если условие выполняется, контроллер выполняет команду. Ответный пакет преобразуется с использованием того же ключа, содержит значение времени контроллера.

При передаче сообщений длина посылки искусственно увеличивается для обеспечения зашиты от сканирования. Для защиты от перехвата команд применен ряд дополнительных мер.

Ключи шифрации в контроллер ASK-Lab вводит администратор системы, и он же имеет возможность его изменения. Разработчики системы обеспечивают лишь первоначальный код доступа и лишены возможности считывания использованных кодов шифрации после введения ключей администратором системы.

Для защиты от атак при наличии сообщника в составе персонала, в контроллере ведется журнал, учета команд управления. Журнал доступен лишь для просмотра с АРМ инженера, но не может быть откорректирован. Эта информация позволяет фиксировать время и источник команд управления. Эта же информация обеспечивает возможность арбитража в случае незлонамеренных ошибок персонала.

3.6.1 Преобразование данных

Преобразованию подвергается поле STA (статус), CD (код команды) и поле DATA протокола ASK-Bus. Поле флагов протокола ASK-Bus должно содержать только признак необходимости преобразования, одинаковый для всех команд, требующих преобразования (старший бит = 1).

Состав преобразуемой информации приведен в таблице 3.3 .

Таблица 3.3 Состав преобразуемой информации

информация	поле ASK-Bus	длина
Поле статуса	STA	1
код команды	CD	1
параметры команды или пакет для внешнего устройства	DATA	N
системное время	DATA	4
дополнение до кратности 8 байт	DATA	L
Длина параметров команды N	DATA	1
контрольная сумма	DATA	2

Для длины преобразуемых данных Len должны выполняться условия: Len mod 8 = 0 и Len >= 16. Контрольная сумма - это сумма всех байтов данных, подвергаемых преобразованию, расположенных до нее (младшими вперед). Дополнение до кратности 8 байт производится заполнением пространства значением системного таймера.

3.6.2 Служебный и пользовательский пароль

Пароль, вводимый администратором в контроллер с помощью клавиатуры и дисплея, используется для получения ключа преобразования данных. Тот же пароль вводится при работе с подсистемой ПТС-2, обеспечивающей реализацию функций управления.

Существует два типа пароля: служебный и пользовательский. Служебный пароль записывается при программировании контроллера и не подлежит изменению. Он используется при первоначальной настройке и техническом обслуживании системы, а также для смены пользовательского пароля. Пользовательский пароль задается с клавиатуры контроллера, и используется при формировании ключа для преобразования данных, передаваемых по сети при командах записи.

При изменении пароля сначала вводится старый пароль, при его правильности (т.е. при совпадении введенного значения с пользовательским паролем) предлагается ввести новый пользовательский пароль. Длина пароля - от 3 до 6 символов, пароль хранится в энергонезависимой памяти EEPROM контроллера. При успешном изменении пароля обнуляется счетчик времени, служащий для проверки корректности приходящих сетевых пакетов (при приеме каждой новой корректной команды, имеющей преобразованные данные, данный счетчик изменяется на значение поля «время сетевого пакета»).

3.6.3 Ключ преобразования данных

Для получения ключа преобразования данных должен использоваться пароль, вводимый пользователем в контроллер с помощью клавиатуры и дисплея.

На основе пароля формируется ключ, используемый для преобразования данных. Длина ключа - 256 бит. Расширение пароля до длины ключа осуществляется следующим образом:

1) преобразование пароля в BCD;

2) копирование получившейся строки на всю длину ключа;

3) выполнение операции XOR с неизменяемой константой, хранимой в энергонезависимой памяти контроллера, длина которой равна длине ключа.

3.6.4 Системное время

Текущее время вычисляет ПО на ПК, посылающее команду. Это время должно возрастать для каждой следующей команды (например, число секунд с начала 2000 года). ПО контроллера проверяет порядок следования времени в командах и выполняет только команду со значением времени большим, чем предыдущая. Принятое значение времени хранится в энергонезависимой памяти контроллера. Механизм записи исключает порчу значения при пропадании питания. Значение времени записывается до начала реакции на команду.

3.6.5 Защита от сбоев и протоколирование событий

Микрооперационная система реального времени A3, на базе которой разрабатывалось программное обеспечение нижнего уровня, обеспечивает некоторые функции по защите от сбоев и протоколированию событий, а именно:

- контроль корректности функционирования программной системы;

- контроль времени выполнения задач;

- запись контекста ПО контроллера в случае исключительной ситуации для последующего анализа;

- запись дампа памяти;

- ведение журнала событий.

Эти функции были использованы при разработке программного обеспечения нижнего уровня для контроллера ASK Lab, которое хорошо себя зарекомендовало по результатам опытной эксплуатации.

4. Модернизация контроллера

4.1 Постановка задачи

В рамках дипломного проекта решались поставленные Заказчиком задачи по модернизации подсистемы ПТС-2, а именно:

4) Принудительное выключение электромоторов по истечении тайм-аута;

5) Обеспечение контроля положения задвижек;

6) Повышение надежности каналообразующей аппаратуры.

Изменения аппаратной части контроллера затронули только 2 пункт.

Изменения программного обеспечения контроллера затронули все 3 пункта.

Изменения программного обеспечения ПК также затронули все 3 пункта.

4.1.1 Выключение электромоторов по истечении тайм-аута

Контроллер ASK-Lab имеет восемь дискретных выходов. Для каждого дискретного выхода на плате сопряжения контроллер имеет твердотельные реле с нормально разомкнутыми контактами (рисунок 4.1). Номинальный ток коммутации для этих реле составляет 1.5А и номинальное рабочее напряжение ~12-240В. Максимально допустимый кратковременный ток в течение одного полупериода до 10А. Внешний вид разъемов для подключения исполнительных устройств изображен на рисунке 4.2.

В системе ПТС-2 задействовано 5 выходов: по 2 для каждого из двух электроприводов и 1 для клапана слива воды (рисунок 4.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

При коммутации 220В на одном или другом входе электропривода задвижка начинает вращаться в соответствующую сторону. По достижении крайнего положения срабатывает концевой выключатель и электропривод должен сам выключиться, несмотря на то, что твердотельные реле находятся во включенном состоянии.

В случае неправильного монтажа или неисправности самого электропривода постоянное нахождение под напряжением 220В может привести к тому, что обмотка электропривода сгорит. Чтобы избежать этого контроллер ASK-Lab должен по истечении заданного промежутка времени снимать управляющее напряжение с реле. Тайм-аут должен быть настраиваем, т.к. в зависимости от модели электропривода гарантированное время срабатывания может меняться.

4.1.2 Контроль положения задвижек

При создании распределенных управляющих систем одним из ключевых вопросов является вопрос контроля за состоянием объекта после команд оператора. Особую важность этот аспект приобретает в случае возникновения на объекте аварийной ситуации.

Эксперименты по использованию цифрового видео в петле обратной связи для контроля текущего состояния исполнительных механизмов проводились на одной из подстанций еще в 2005 году и описаны в [3], [4]. В экспериментально опробованном варианте конфигурации системы оператор мог контролировать положение задвижек в реальном масштабе времени через телекамеры слежения. Передача видео в этом случае осуществлялась посредством ЛВС здания, к которой подключался специализированный видеоконтроллер, разработаны в СКБ ГУАП. Эта видеосистема используется вплоть до настоящего времени на одном из узлов теплоснабжения. На рис. 4.4 приведено изображение панели управления системы ПТС-2 с узла, оборудованного системой видеоконтроля.

Были исследованы возможность передачи цифрового видео по коммутируемым телефонным сетям общего пользования. В реальных условиях Санкт-Петербурга передача одного видеокадра осуществлялась за 2-3 сек, что обеспечивало возможность видеоконтроля за объектом управления по коммутируемым телефонным линиям.

В силу разных причин этот концептуальный подход, несмотря на свою перспективность, не получил развития в проекте ПТС.

Как следствие, в существующей системе результат выполнения команды оператор мог контролировать только по косвенным признакам: изменение температуры теплоносителя и других параметрах, снимаемых с контроллера DANFOSS и теплосчетчика СПТ. Т.к. оператор действует в напряженных условиях и цена ошибки слишком дорога, то по требованию Заказчика было необходимо добавить в контур управления датчики положения задвижек.