Программное обеспечение системы контроля, регулирования и визуализации АСУТП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Изучить промышленный микропроцессорный контроллер КРОСС-500 и типовые структуры систем автоматизации, выполненные на базе контроллера.

Изучить программный пакет ISaGRAF и языки программирования.

Изучить пакет MasterSCADA, предназначенный для визуализации процесса управления.

Изучить параметры настройки ОРС - сервера контроллера КРОСС-500.

Составить программу на языке программирования FBD для микропроцессорного контроллера, обеспечивающую выполнение функций:

аналоговое регулирование по ПИД закону.

сигнализация по верхнему предельному значению.

Составить программу на базе MasterSCADA для операторской станции, обеспечивающую визуализацию процесса контроля, регулирования и сигнализации.

Выполняемые операторской станцией функции:

Отображение значения регулируемого параметра, ошибки и задания в виде значения.

Отображение в графическом виде значения регулируемого параметра, ошибки и задания.

Тренд реального времени регулируемого параметра.

Сигнализация о выходе за допустимые пределы регулируемого параметра путем изменения цвета выбранной формы.

Изменение значений задания и параметров настройки регулятора, используя команды.

Произвести настройку OPC-сервера и осуществить проверку работоспособности разработанных программ на учебном стенде.

Модель объекта управления набирается на аналогово-вычислительном комплексе АВК - 6.

Объект управления моделируется с помощью звена второго порядка.

Таблица 1

№ варианта	Тип контроллера	Перечень функций, выполняемых контроллером	Язык программирования контроллера	Перечень функций, выполняемых операторской станцией
1	КРОСС 500	Аналоговое регулирование по ПИД закону, сигнализация по верхнему и нижнему предельным значениям	FBD	Задание уставки и параметров регулятора. Тренд реального времени, цифровые значения регулируемого параметра, изменение цвета выбранной формы при выходе параметра за установленные пределы



Введение

В настоящее время перед организациями, эксплуатирующими сложные технические объекты и системы, все чаще встает проблема обеспечения полноценного контроля и эффективного управления ими. Это в полной мере решается использованием автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Современная автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) позволяет организовать работу в соответствии со всеми современными требованиями по уровню качества управления производственным процессом.

АСУ ТП отличается от традиционных систем тем, что обеспечивает комплексную автоматизацию технологических операций на всем производстве или отдельном участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Системы АСУ ТП охватывают широкий спектр технологических процессов: от управления отдельным оборудованием до комплексной автоматизации цехов и предприятий.

Автоматизированная система управления и контроля позволяет управлять технологическим процессом, поддерживать оптимальный режим работы технологических аппаратов и учета промежуточных данных, формировать и выдавать отчетную и архивную документацию, проводить диагностику измерительного оборудования [6].

АСУ ТП применяются в различных областях промышленности:

системы управления на транспорте;

добыча и транспортирование нефти и газа;

телекоммуникации и связь;

производство и учет электроэнергии;

приборы и станкостроение;

металлургия;

лабораторно-измерительные системы;

системы специального назначения.

Основные функции АСУ ТП:

автоматический контроль параметров технологического процесса;

сравнение измеренных значений с заданными параметрами и формирования сигналов управления;

отображение хода технологического процесса в виде графиков, мнемосхем;

оперативное ручное и автоматическое управление;

формирование сигналов аварийного отключения при возникновении аварийной ситуации.

Построение АСУ ТП на основе концепции открытых систем требует системной интеграции, подразумевающей, что аппаратно-программные средства различных фирм-производителей совместимы снизу доверху и комплексную проверку всей системы обеспечивает на своем стенде фирма-интегратор, которая по спецификации заказчика подбирает все необходимое оборудование и программное обеспечение.

Как правило, АСУ ТП предприятия представляет собой двухуровневую систему управления.

На нижнем уровне расположены контроллеры, обеспечивающие первичную обработку информации, поступающей непосредственно с объектов управления, и отслеживающие нарушения технологического процесса, так называемые аварийные состояния. Обычно контроллеры не имеют средств визуализации, кроме локальных средств индикации малой информационной емкости, и средств взаимодействия с оператором. Основу ПО контроллеров составляют программы на технологических языках типа языка релейно-контактных схем.

На верхнем уровне АСУ ТП размещаются мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие хранение и анализ всей поступившей информации за любой заданный интервал времени, а так же визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой ПО верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

АСУ ТП могут включать в себя отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс.

Широкое применение АСУ ТП обусловлено быстрым и качественным сбором данных, обеспечением непрерывного поступления информации для обработки в центральном компьютере за счет локальных модулей связи в системе, возможностью управления оборудованием при сбоях работы центрального пульта с помощью микропроцессоров в каждом из звеньев цепи [6].

Темой данного курсового проекта является программное обеспечение системы контроля, регулирования и визуализации АСУТП, реализованной на базе контроллера КРОСС-500. В ходе работы будет изучен микропроцессорный контроллер КРОСС-500 и типовые структуры систем автоматизации, выполненные на базе данного контроллера. Также в ходе выполнения курсового проекта будут изучены пакеты ISaGRAF и MasterScada, изучены параметры настройки ОРС-сервера контроллеров. Будет составлена программа на базе MasterScada для операторской станции, которая будет обеспечивать визуализацию процесса контроля. После выполнения произведем проверку работоспособности разработанной программы.



1.Описание микропроцессорного контроллера КРОСС

1.1 Назначение и область применения контроллера

Основное назначение контроллера - построение высокоэффективных систем автоматизации различных технологических объектов. Контроллер обеспечивает оптимальное соотношение производительность/стоимость одного управляющего или информационного канала, однородность аппаратуры автоматики на предприятии, уменьшает затраты на обучение персонала и т.д.

Контроллер КРОСС предназначен для общепромышленного применения в составе АСУ ТП в различных отраслях промышленности - энергетической, металлургической, пищевой, стекольной, цементной и т.д. Контроллер может использоваться в качестве автономного средства для управления объектами малой и средней сложности.

В составе АСУ ТП контроллер может использоваться для обслуживания взрывопожароопасных объектов, в том числе химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. При этом контроллер устанавливается во взрывобезопасном помещении.

1.2 Основные возможности контроллера

Программное обеспечение контроллера позволяет пользователю:

выполнять широкий круг алгоритмических задач: вычисление алгебраических и тригонометрических функций, статических и динамических преобразований, регулирования, программно-логического управления, защиты, учета, регистрации и архивации данных и т.п.;

обеспечить возможность контроля, управления и тестирования каналов ввода-вывода в автономном режиме и с помощью компьютера, при этом обеспечивается возможность переноса, тиражирования программ;

достичь снижения затрат на разработку и отладку программ пользователя за счет удобства и простоты программирования, их переноса и документирования, независимости от способов построения и работы устройств ввода-вывода.

Поддержка промышленных сетей и возможность обмена данными в реальном масштабе времени, использование технологических, процедурных языков программирования (системы ISaGRAF) и операционной системы реального времени OS-9 позволяют:

интегрировать контроллер в единую систему АСУ ТП, содержащую контроллеры различных производителей, выполненные в стандарте открытых систем;

масштабировать системы;

сопрягать контроллер с различными SCADA-системами через стандартные средства межзадачного обмена;

использовать единую технологию программирования контроллеров различных фирм и переносить технологические программы пользователя;

подключать контроллер к глобальной информационной сети Internet благодаря наличию встроенного Web-сервера.

В контроллере применена интеллектуальная подсистема ввода-вывода.

Все модули устройств связи с объектом (УСО) контроллера имеют встроенный бортовой микропроцессор, выполняющий независимо и асинхронно по отношению к центральному процессору различные функции по обработке сигналов и диагностике оборудования. Такой подход позволяет:

повысить надежность контроллера за счет сокращения объема аппаратуры модулей и непрерывной самодиагностики;

повысить живучесть контроллера за счет децентрализации и автономного выполнения различных функций;

увеличить производительности и уменьшить время цикла контроллера за счет сокращения нагрузки на центральный процессор по объему вычислений и интенсивности обменов данными с модулями УСО;

расширить номенклатуру модулей (модули ввода-вывода, модули контроля и управления исполнительными органами, модули микроконтроллера);

обеспечить простоту и переносимость технологических программ, снижение затрат на их разработку и отладку за счет их независимости от способов построения и работы аппаратуры ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, датчиков и исполнительных органов;

предусмотреть возможность контроля, управления и тестирования модуля в автономном режиме с помощью переносного пульта настройки или компьютера через последовательный порт модуля с интерфейсом RS-232;

обеспечить масштабируемость подсистемы ввода-вывода (до 31 модуля на четырех последовательных шинах SPI).

1.3 Модули котроллера

Модули ввода-вывода осуществляют автономное, без участия центрального процессора, управление в циклическом режиме процедурами ввода-вывода, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, а также предварительную обработку сигналов (фильтрация, линеаризация, заводская или автоматическая калибровка), широтно-импульсное модулирование импульсных выходных сигналов, непрерывную диагностику (короткое замыкание, обрыв) входных аналоговых каналов, установку выходов в заданное состояние в аварийных ситуациях. Коэффициенты калибровки аналоговых входов и линеаризации характеристик наиболее распространенных датчиков заносятся в память модуля в процессе его производства, чем обеспечивается взаимозаменяемость модулей во время их эксплуатации. Тип датчика, коэффициенты фильтрации, требуемые состояния выходов в аварийных ситуациях и т.п. заносятся в память модуля пользователем при настройке модуля на условия эксплуатации. В контроллере КРОСС имеется возможность подключения модулей ввода-вывода контроллера SMART2 компании PEP Modular Computers.

Модули контроля и управления исполнительными органами осуществляют автономное выполнение всех процедур контроля и управления арматурой по одной команде от центрального процессора «закрыть» или «открыть», в том числе широтно-импульсное модулирование сигналов для исполнительных механизмов постоянной скорости. Программы управления заносятся в модуль при его производстве, а различные коэффициенты (длительность импульса, время хода, нормальные состояния концевых выключателей, требуемое состояние органа в аварийных ситуациях и т.п.) заносятся в память модуля пользователем при настройке модуля на условия эксплуатации

Модуль микроконтроллера осуществляет автономное выполнение функций в соответствии с занесенной в него технологической программой. Программа разрабатывается и заносится в память модуля пользователем на технологическом языке функциональных блоков с помощью инструментальной системы программирования для персонального компьютера. Библиотека алгоритмов языка содержит алгоритмы ввода-вывода сигналов, выполнения арифметических и логических операций, таймеры, счетчики, алгоритмы статических и динамических преобразований, импульсные и аналоговые ПИД-регуляторы и т.п.

1.4 Надежность контроллера

Контроллер КРОСС обладает повышенной надежностью и развитыми возможностями по резервированию.

Высокая надежность контроллера обеспечивается следующими решениями:

использование современной элементной базы ведущих зарубежных фирм;

исполнение системных и технологических программ из флэш-ПЗУ;

использование высоконадежного программного обеспечения (операционной системы ОС-9, исполнительной подсистемы ISaGRAF), имеющего сотни тысяч инсталляций;

резкое снижение числа межмодульных контактных соединений за счет использования последовательной внутренней SPI-магистрали (4 сигнальных провода на модуль);

непрерывная внутримодульная диагностика, наличие сторожевых таймеров во всех модулях;

защита выходов модулей УСО от короткого замыкания;

возможность дублирования центрального процессора по необходимым функциям интеллектуальными модулями УСО;

возможность резервирования входов и выходов модулей;

возможность резервирования модулей УСО на одной шине SPI;

возможность резервирования шин SPI вместе с подключенными к ним модулями УСО;

возможность «горячей» замены модулей УСО;

Наработка на отказ составляет более 100 000 часов и может быть увеличена резервированием различных составных частей.

1.5 Состав и технические характеристики контроллера

Контроллер имеет проектно-компонуемый состав и состоит из устройств, количество и типы которых определяются заказом потребителя. Модули УСО группами до восьми штук соединены с центральным блоком ЦБ1 соединителем SPI через модули ИСК1, имеющие по два порта интерфейса SPI. Модуль процессора SM2-CPU-1,5 состоит из центрального процессора и сетевого контроллера. Модули УСО также содержат процессор. Обмен между процессорами выполняется по шинам SPI через модуль ИСК1.

К каждой шине SPI можно подсоединять до 8 модулей УСО. В зависимости от их количества модулей ИСК1 может быть от 1 до 2 шт. Внешние связи подключаются к модулям УСО или через терминальные блоки, которые содержат клеммные колодки, или через разъемы «INOUT».

Конструктивно контроллер в общем случае состоит из центрального блока ЦБ1, блока питания LOK 4601-2R/ P-ONE/ и модулей питания, модулей УСО, соединителей SPI, соединителей гибких и терминальных блоков (табл. 2).

Таблица 2 - Базовые средства контроллера КРОСС

Наименование	Обозначение	Состав и характеристики
Центральный блок ЦБ1 в составе:
Базовый монтажный блок	SMART 2-BASE	3 слота для размещения модулей
Модуль процессора	SM2-CPU	CPU 68LC302; DRAM 1,5 MB; FLASH 1 MB; SRAM 256 KB, 2 RS-232. Резидентное ПО: OS-9, ISaGRAF поддержка сетей Ethernet
Интерфейсный модуль	ИСК1	2 порта SPI
Модуль-мезонин Ethernet	SM2-ETH	Ethernet-контроллер, RS485, скорость до 10 Мбод (автоопределение)
Модуль питания	КР-DC24V1	Вход = 18 ... 36 В, 1 вых. + 5 В/2 А
Наименование	Обозначение	Состав и характеристики
Блоки и модули питания
Блок питания	LOK460 1-2R/P-ONE	Вход ~ 220 В, 1 выход +5 В/2 А
Модуль питания	DC24/5	Вход = 24 В, 1 выход +5 В/2 А
Модули УСО контроллера КРОСС
Модуль ввода унифицированных аналоговых сигналов (0 - 5 мА, 0(4) - 20 мА, 0 - 10 В)	All-8	8 AI, ? ? 0,2 % заводская калибровка
Модуль ввода унифицированных аналоговых сигналов (0 - 5 мА, 0(4) - 20 мА, 0 - 10 В)	AI01-8/0	8 AI, ? ? 0,2 % заводская калибровка
Модуль ввода-вывода унифицированных аналоговых сигналов (0 - 5 мА, 0(4) - 20 мА, 0 - 10 В)	AIOl-8/4	8 AI, 4 АО, ? ? 0,2% заводская калибровка
Модуль вывода унифицированных аналоговых сигналов (0 - 5 мА, 0(4) - 20 мА, 0 - 10 В)	AIOl-0/4	4 АО, ? ? 0,2 % заводская калибровка
Модуль ввода сигналов термопар ТВР(А), ТПР(В), ТХА(К), ТХК(L), ТНН(N), ТМК(Т), ТЖК(J), ТПП(R,S)	ТС1-7	7А1-ТС(7*1), 1 AI-TR, ? ? 0,2 % заводская калибровка
Модуль ввода сигналов термометров сопротивлений ТСМ50, ТСМ100, ТСП50, ТСП00	TR1-8	8 AI-TR, ? ? 0,2 % заводская калибровка
Модуль ввода дискретных сигналов	DI1-16	16 DI, 24 V DC
Модуль ввода-вывода дискретных сигналов	DIO1-8/8	8 DI, 24 V DC 8 D0, 24 V, ТК
Модуль вывода дискретных сигналов	D01-16	16 DO, 24 V, ТК

Условные обозначения:

АI/АО (DI/DО) - входные/выходные аналоговые (дискретные) сигналы;

DС - дискретные сигналы постоянного тока;

ТК - дискретный выход типа транзисторный ключ, коммутируемое постоянное напряжение до 40 В, ток 0,3 А, суммарный ток до 2 А:

ТП (ТС) - сигналы термопар (термосопротивлений).

Центральный блок ЦБ1 состоит из базового монтажного блока SMАRТ2-BASE и установленных на него модулей. Для установки модулей монтажный блок имеет три посадочных места - слоты «Slot А», «Slot B» и «Slot С», каждое из которых связано с блоками винтовых зажимов SM-SCR-2*7 по одной паре на место. Через блоки винтовых зажимов выполняются соединения модулей с внешними цепями.

В «Slot A» всегда устанавливается модуль процессора SM2-CPU-1.5 (центрального процессора), в «Slot С» - модуль ИСК1. В «Slot B» в зависимости от заказа может быть установлен или второй модуль ИСК1, или модуль питания КР-DС24V1, или панель-заглушка SM DUMMY-FP (при отсутствии модулей).

Модуль центрального процессора является мастером шины SPI и предназначен для управления работой контроллера, организации обмена с внешними устройствами, а также взаимодействия пользователя с контроллером через компьютер и SCADA-систему.

Модуль ИСК1 соединяет и согласовывает модули УСО с центральным процессором. Подключение модулей УСО к модулю ИСК1 выполняется через две шины SPI, которые подключаются к разъемам «SPI-1», «SPI-2» модуля ИСК1. На каждой шине может быть до восьми модулей УСО. Общее количество модулей УСО - до 31 по четырем шинам.

Для связи с внешними приборами по локальной сети Ethernet на модуль процессора может устанавливаться модуль-мезонин SM2-ETH. Подключение мезонина к плате центрального процессора осуществляется посредством двух разъемов.

Модуль питания КР-DС24V1 предназначен для питания ЦБ1 и модулей УСО при потребляемой мощности не более 10 В ? A. Он представляет собой преобразователь напряжения постоянного тока 24/5 В с гальванической развязкой. Устанавливается в «Slot B» SMАRТ2-BASE и непосредственно (без перемычек) питает ЦБ1 напряжением 5 В.

Блок питания LOK 4601-2R/P-ONE предназначен для подключения к питающей сети 220 В и преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение 24 В. Выходная мощность модуля 50 Вт.

Модуль питания DС-24/5 предназначен для питания модулей УСО на одной шине SPI. Выходная мощность модуля 10 Вт. Устанавливается на шине SPI. Модуль состоит из двух функциональных частей: преобразователя напряжения постоянного тока 24/5 В с гальванической развязкой и схемы защиты от выбросов напряжения на шине SPI.

Соединитель SPI представляет собой ленточный кабель с установленными самим потребителем на нем «на прокол» разъемами IDC-10. Соединитель может иметь от двух до десяти разъемов: первый подсоединяется к модулю ИСК1, последующие - к модулям УСО (до восьми модулей), последний - к модулю УСО или к модулю питания DС-24/5. Общая потребляемая мощность модулей УСО на одном соединителе должна быть не более 10 Вт.

Блоки терминальные Т1-AI, Т1-AIО, Т1-D, Т1-TC, Т1-TR позволяют подключать к контроллеру кабели различных сечений, приходящие от объекта управления - от датчиков и исполнительных органов.

Соединители гибкие Сl-AI, Сl-AIО, Сl-D, Сl-TC, С1-TR соединяют модули УСО и терминальные блоки.



2. Типовые структуры АСУ ТП

Контроллер является проектно-компонуемым устройством. По-этому он не имеет базового состава и может функционировать в рамках как процессорных, так и микроконтроллерных структур.

2.1 Процессорная структура

В типовом случае контроллер имеет процессорную структуру (рисунок 1), то есть в качестве блока, исполняющего основной алгоритм и управляющего всеми остальными компонентами системы, используется блок БЦП.

Рисунок 1 - Процессорная структура контроллера: RS-485 - внутренняя полевая шина контроллера; модуль - модули МВВ или МК1; АС220/5-ХХ - модуль питания; ТБ - терминальный блок

В качестве операторской станции используются SCADA- пакеты, которые выполняют процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами.

Блок центрального процессора БЦП управляет работой контроллера, имеет резидентное программное обеспечение (РПО), включающее операционную систему реального времени RTOS-32 и исполнительную систему ISaGRAF Target. Которые предназначены для загрузки и выполнения технологической программы пользователя (ТПП).

ОРС сервер осуществляет соединение и обмен данными между ISaGRAF-приложением контроллера КРОСС и SCADA-системами через Еthernet или Com порт (RS 232).

В качестве панели оператора использует персональный компьютер, который позволяет создать и запустить программу контроллера через RS 232.

Модули ввода-вывода (МВВ) или микроконтроллер в зависимости от вида сигналов подразделяются на 2 группы:

модули ввода-вывода аналоговых сигналов с групповой или индивидуальной гальванической развязкой между ка-налами;

модули ввода-вывода дискретных сигналов с групповой гальванической развязкой.

Аналоговые сигналы используются для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры.

Дискретный сигнал: информационный сигнал, который представляется в виде отдельных отсчетов взятых по времени. Используется для сигнализации состояния объекта.

Модули соединяются с БЦП через RS-485. RS-485 (внутренняя полевая шина контроллера) - стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи.

Терминальные блоки предназначены для подсоединения внешних цепей к МВВ и МК1 через клеммные колодки, а также для преобразования и гальванического разделения дискретных сигналов.

2.2 Микроконтроллерная структура

Для локальных или небольших распределенных систем контроллер может не иметь в составе блока БЦП. В этом случае основную ТПП исполняет МК1, используя подключенные к нему МВВ (до 4 шт.). Микроконтроллерная структура приведена на рисунке 2. При необходимости, МК1 могут объединяться в сеть по интерфейсу RS-485.

МК1, в свою очередь, также может иметь собственные модули ввода-вывода. Про-цессорная структура контроллера, включающая две полевые сети на основе шины RS-485. Как для БЦП, программу для микропроцессора можно составить с помощью ISaGRAF.

Рисунок 2 - Микроконтроллерная структура: RS485 - внутренняя полевая шина контроллера; RS232 - связь с панелью оператора; БП - блок питания; МВБ - модули ввода-вывода (до 4 шт.); ТБ - терминальные блоки



3. Программный пакет ISaGRAF

3.1 Описание программного пакета

Программный пакет ISaGRAF - инструментальная система, соответствующая стандарту МЭК. Система состоит из двух частей:

система разработки ISaGRAF Workbench;

система исполнения ISaGRAF Target.

Система разработки представляет собой набор Windows-приложений, интегрированных в единую инструментальную среду и работающих под ОС Windows 95/98/NT. Основу системы исполнения составляет набор программных модулей (для каждой целевой системы свой), выполняющих самостоятельные задачи под управлением т.н. ядра ISaGRAF.

Ядро ISaGRAF реализует поддержку стандартных языков программирования, типового набора функций и функциональных блоков и драйверов ввода/вывода.

Задача связи обеспечивает поддержку процедуры загрузки пользовательского ISaGRAF-приложения со стороны программируемого контроллера, а также доступ к рабочим переменным этого приложения со стороны отладчика системы разработки ISaGRAF.

Взаимодействие систем разработки и исполнения осуществляется по протоколу MODBUS, что дает возможность доступа к данным контроллера не только отладчику ISaGRAF, но и любой системе визуализации и управления данными (SCADA). Драйверы устройств сопряжения с объектом организуют прозрачный доступ к аппаратуре ввода/вывода.

Функции пользователя реализуют процедуры и алгоритмы функций, не представленные в стандартном варианте поставки системы ISaGRAF.

Системные функции предназначены для описания специфики конкретной операционной системы, реализованной на данном типе контроллеров [4].

Языки программирования, реализованные в ISaGRAF

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, позволяющая пользователю представить автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Стандартом МЭК 61131-3 определяется пять языков: три графических (SFC, FBD, LD) и два текстовых (ST, IL). Помимо этих языков, ISaGRAF предлагает язык блок-схем (FlowChart). Все эти языки программирования интегрированы в единую инструментальную среду и работают с едиными объектами данных.

SFC - графический язык последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart). Язык SFC предназначен для использования на этапе проектирования ПО и позволяет описать "скелет" программы - логику ее работы на уровне последовательных шагов и условных переходов.

FBD - графический язык функциональных блоковых диаграмм (Function Block Diagram). Язык FBD применяется для построения комплексных процедур, состоящих из различных функциональных библиотечных блоков - арифметических, тригонометрических, регуляторов, мультиплексоров и т.д.).

LD - графический язык диаграмм релейной логики (Ladder Diagram). Язык LD применяется для описания логических выражений различного уровня сложности.

ST - язык структурированного текста (Structured Text). Это язык высокого уровня, по мнемонике похож на Pascal и применяется для разработки процедур обработки данных.

IL - язык инструкций (Instruction List). Это язык низкого уровня класса ассемблера и применяется для программирования эффективных, оптимизированных процедур.

FlowChart - графический язык блок-схем. FC представляет собой графическую форму диаграммы принятия решений. FC не определяется стандартом МЭК 61131-3, но является хорошим дополнительным средством описания алгоритмов прикладных задач.

Основные возможности ISaGRAF:

поддержка всех пяти языков стандарта МЭК 61131-3 плюс реализация языка Flow Chart как средства описания диаграмм состояний. При этом ISaGRAF позволяет смешивать программы и процедуры, написанные на разных языках, а также вставлять кодовые последовательности из одного языка в коды, написанные на другом языке;

наличие многофункционального отладчика, позволяющего во время работы прикладной задачи просматривать состояние программного кода, переменных, программ и многое другое;

поддержка различных протоколов промышленных сетей;

реализация опций, обеспечивающих открытость системы для доступа к внутренним структурам данных прикладной ISaGRAF-задачи, а также возможность разработки драйверов для модулей ввода/вывода, разработанных самим пользователем, и возможность переноса ISaGRAF-ядра на любую аппаратно-программную платформу;

набор драйверов для работы с различными модулями УСО, под управлением контроллеров различных фирм-производителей: PEP Modular Computers, Motorola Computer Group и др.;

наличие дополнительных интерактивных редакторов для описания переменных, констант и конфигураций ввода/вывода;

встроенные средства контроля за внесением изменений в программный код ISaGRAF-приложения и печати отчетов по разработанному проекту с большой степенью детализации, включая печать таблиц перекрестных ссылок для программ и отдельных переменных;

полное документирование этапов разработки. Помимо общих существуют специфические функции, реализованные на конкретных аппаратно-программных платформах, реализуемые фирмами-поставщиками. Так, например, фирма PEP Modular Computers (Германия) реализовала и интегрировала в среду ISaGRAF поддержку ряда промышленных сетей (PROFIBUS, CAN) и пользователь, имея одну систему разработки ISaGRAF, может не только запрограммировать логику работы контроллера, но и задать потоки данных между контроллерами [4].

Основной принцип ISaGRAF: синхронизация.

Прикладная задача ISaGRAF работает в синхронном режиме по временным циклам, длительность, которых определяется разработчиком. Минимальная продолжительность циклов исполнения прикладной задачи определяется характеристиками аппаратно-программной платформы (ISaGRAF Target), на которой происходит исполнение задачи.

Программные единицы ISaGRAF-проекта (программы, функции, функциональные блоки) располагаются в т.н. последовательной или циклических секциях. При этом программы, расположенные в циклических секциях выполняются полностью в каждом ISaGRAF-цикле. Программный цикл предваряется опросом всех сконфигурированных внешних каналов датчиков (например, каналы АЦП) и завершается обновлением всех выходных каналов (например, каналы ЦАП). Такая схема работы ISaGRAF приложения гарантирует пользователю, что в рамках одного временного цикла он будет работать только с одной копией объектных данных типа INPUT/OUTPUT.

Отладчик системы ISaGRAF:

Отладчик ISaGRAF предоставляет полный набор возможностей для получения качественного программного продукта (ISaGRAF-приложения):

поддержка механизма выполнения программ по шагам; возможность внесения изменений в код программы во время работы отладчика;

трассировка рабочих переменных;

online модификация значений переменных;

остановка/запуск отдельных программ, входящих в состав данного приложения ISaGRAF;

изменение в процессе работы отладчика продолжительности цикла выполнения приложения;

эмуляция сигналов, подаваемых на каналы ввода и т.д.

Все эти возможности реализованы в рамках удобного и наглядного графического интерфейса, обеспечивающего комфорт в процессе разработки приложения ISaGRAF.

Использование средств программирования, поддерживающих открытые стандарты дает очевидные преимущества: получение качественного программного продукта, совместимость на уровне исходных текстов, независимость от типа операционной системы и от конкретной персоны программиста, появление общего языка общения в среде разработчиков прикладного программного обеспечения и самое важное - значительное сокращение времени разработки прикладного ПО и, как следствие, сокращение финансовых затрат на разработку проектов в целом [4].

Описание языка программирования FBD

ISaGRAF - комплекс программного обеспечения для автоматизации процессов управления, который применяется в самых различных областях техники и использует стандарт IEC 61131. ISaGRAF позволяет ускорить разработку и внедрение проектов, уменьшить время их выхода на рынок.

Ядро ISaGRAF реализует поддержку стандартных языков программирования, типового набора функций и функциональных блоков и драйверов ввода/вывода. Задача связи обеспечивает поддержку процедуры загрузки пользовательского ISaGRAF-приложения со стороны программируемого контроллера, а также доступ к рабочим переменным этого приложения со стороны отладчика системы разработки ISaGRAF. Взаимодействие систем разработки и исполнения осуществляется по протоколу MODBUS, что дает возможность доступа к данным контроллера не только отладчику ISaGRAF, но и любой системе визуализации и управления данными (SCADA). Драйверы устройств сопряжения с объектом организуют прозрачный доступ к аппаратуре ввода/вывода. Функции пользователя реализуют процедуры и алгоритмы функций, не представленные в стандартном варианте поставки системы ISaGRAF. Системные функции предназначены для описания специфики конкретной операционной системы, реализованной на данном типе контроллеров.

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, позволяющая пользователю представить автоматизируемый процесс в наиболее легкой и понятной форме. Стандартом МЭК 61131-3 определяется пять языков: три графических (SFC, FBD, LD) и два текстовых (ST, IL). Помимо этих языков, ISaGRAF предлагает язык блок-схем (FlowChart). Все эти языки программирования интегрированы в единую инструментальную среду и работают с едиными объектами данных. SFC - графический язык последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart). Язык SFC предназначен для использования на этапе проектирования ПО и позволяет описать "скелет" программы - логику ее работы на уровне последовательных шагов и условных переходов. Более подробно остановимся на языке FBD.

Язык функциональных блочных диаграмм (FBD) - графический язык. Он позволяет программисту строить сложные процедуры, используя существующие функции из библиотеки ISaGRAF и связывая их вместе при помощи графических диаграмм.

FBD диаграмма описывает функцию между входными переменными и выходными переменными. Функция описывается как множество элементарных функциональных блоков. Входные и выходные переменные связываются в блоки при помощи линий связи. Выход функционального блока может быть также связан с входом другого функционального блока.

Вся функция FBD программы построена из стандартных элементарных функциональных блоков из библиотеки ISaGRAF. Каждый функциональный блок имеет фиксированное количество входных точек связи и фиксированное количество выходных точек связи. Функциональный блок представляется одиночным прямоугольником. Входы соединяются с левым краем. Выходы соединяются с правым краем. Элементарный функциональный блок реализует одну функцию между входами и выходами. Имя функции, реализуемой блоком, пишется на символе прямоугольника. Каждый вход или выход блока имеют определенный тип. Входные переменные FBD программы должны быть связаны с точками входа функционального блока. Тип каждой переменной должен быть тем же что и тип соответствующего входа. Входом FBD блока может быть константа, любая внутренняя, входная или выходная переменная. Выходные переменные FBD программы должны быть связаны с точками выхода функционального блока. Тип каждой переменной должен быть тем же что и тип соответствующего выхода. Выходом FBD блока может быть внутренняя или выходная переменная или имя программы (только для подпрограмм). Когда выходом является имя редактируемой подпрограммы, оно представляет присвоение возвращаемого значения подпрограммы (возвращаемого в вызывающую программу). Входные и выходные переменные, входы и выходы функциональных блоков соединены линиями связи. Линии могут быть использованы для соединения двух логических точек диаграммы:

входной переменной и входа функционального блока;

выхода функционального блока и входа другого блока;

выхода функционального блока и выходной переменной.

Связи ориентированы, это означает, что данные передаются с левого конца к правому. Левый и правый концы связи должны быть одного типа [4].

3.2 Методика составления программ регулирования и их отладка

Программу, осуществляющую регулирование по ПИД-закону и сигнализацию по верхнему и нижнему предельным значениям, осуществим с помощью пакета ISaGRAF.

Создание проекта

Для создания проекта нажмем сочетание клавиш Ctrl+N или в меню Файл выберем опцию Новый (рисунок 6).



Рисунок 6 - Меню Файл

Создание программы

Программа реализуется на языке FBD, поэтому проект будет содержать одну программу (Основная программа).

Для создания новой программы в меню Файл выбираем опцию Новый (рисунок 7). В окне Новая программа вводим имя и язык программы (рисунок 8).

Рисунок 7 - Меню Файл

Рисунок 8 - Окно Новая программа

Объявление переменных

В самом начале работы необходимо объявить в Словаре все переменные. Открытие словаря осуществляется при помощи меню Файл->Словарь или кнопкой в менеджере про-грамм. Переменные объявляются в соответствии с типом данных:

Булевские - логическая величина (рисунок 9);

Целые/Действительные - целая или действительная непрерывная величина (рисунок 9а);

Рисунок 9 - Глобальные булевские переменные

Рисунок 9а - Глобальные целые/вещественные переменные

Программа для контроллера

В данном курсовом проекте необходимо составить программу для микропроцессорного контроллера на языке FBD (ISaGRAF), обеспечивающую выполнение следующих функций регулирования и сигнализации:

аналоговое регулирование по ПИД - закону;

сигнализация по верхнему значению

Данная программа, реализованная в пакете ISaGRAF, имеет следующий вид, представленный на рисунке 10:

Рисунок 10 - Программа для контроллера КРОСС-500 на языке FBD в пакете ISaGRAF

Программа состоит из нескольких блоков:

блок аналогового ввода-вывода - craio;

блок ограничения - ogr;

блок ПИД - регулятора - anal_pid.

Рассмотрим описание каждого блока, входящего в программу отдельно.

Блок аналогового ввода-вывода craio.

Рисунок 11 - Блок craio

Данный блок предназначен для чтения значений на аналоговых входах и установки значений на аналоговых выходах AIO1-8/4, АIO1-8/0, AIO1-0/4.

Входы:

addr - адрес модуля (1 - 239);

phys - признак необходимости преобразования: TRUE - преобразовывать в физическую величину, FALSE - не преобразовывать, выдавать сигнал в процентах от диапазона измерения;

АО[1-4]- значения выходов

Выходы:

Err - код ошибки:

0 Ошибок нет;

2 потеря связи с модулем УСО;

4 ошибка контрольной суммы CRC при обмене данными;

5 неправильный ответ от модуля;

6 не удалось обнаружить модуль с таким адресом;

9 модуль обнаружен, но его тип непригоден для работы с данным алгоритмом;

AI[1-8] - значения входов

В данном случае на вход addr поступает переменная address, значение которой равно адресу модуля контроллера КРОСС-500, т.е. 40. На вход AO1 поступает управляющий сигнал Y с выхода блока ПИД - регулятора. На выходе AI1 в переменную Xin записывается значение сигнала с объекта управления.

Блок ограничения OGR

Рисунок 12 - Блок ограничения OGR

сервер настройка контроллер программа

Алгоритм используется для ограничения верхней и (или) нижней границы диапазона изменения сигнала.

Входы:

X - вход;

Xmax - верхняя граница ограничения;

Xmin - нижняя граница ограничения;

Выходы:

Y - выход;

Dmax - достижение верхней границы;

Dmin - достижение нижней границы;

Алгоритм содержит ограничитель верхнего и нижнего значения сигнала. На двух дискретных выходах Dmax и Dmin фиксируется достижение сигналом верхней и нижней границы ограничения. Уровни ограничений задаются настроечными входами Хmax, Хmin. Aлгоритм будет правильно работать, только если Хmax>Хmin [1].

В данном случае на вход X поступает сигнал с объекта управления Xin. При выходе данного сигнала за верхний предел Yemax дискретная переменная на выходе Dogrmax принимает значение 1.

Блок регулирования аналоговый ANAL_PID

Рисунок 13 - Блок регулирования аналоговый ANAL_PID

Выводы блока anal_pid:

Xzdn - вход задания;

Csb - включение статической балансировки;

Cdb - включение динамической балансировки;

Vdb - скорость динамической балансировки;

Xin - вход параметра;

Xdlt - зона нечувствительности;

Kp - коэффициент пропорциональности;

Ti - постоянная времени интегрирования;

Kd - постоянная времени дифференцирования;

Xmax - уровень ограничения по максимуму;

X min - уровень ограничения по минимуму;

Czb - сигнал запрета в направлении «больше»;

Czm - сигнал запрета в направлении «меньше»;

Cruc - включение ручного режима;

Xruc - сигнал ручного задания;

Y - основной выход алгоритма;

Yeps - сигнал рассогласования;

Yzdn - сигнал текущего задания;

Dmax -ограничение по максимуму;

Dmin - ограничение по минимуму.

Проверка на ошибки

После того как программа была написана, необходимо осуществить проверку на ошибки. Проверка осуществляется с помощью кнопки . Результат будет показан в отдельном окне (рисунок 14).

Рисунок 14 - Результат проверки на ошибки



Настройка опций компилятора

Для того, чтобы окно настройки опций компилятора, необходимо зайти в меню Создать/Опции Компилятора (рисунок 15) и выбрать тип центрального процессора, то есть необходимо установить метку напротив TIC code for Intel для КРОСС-500 (рисунок 16).

Рисунок 15 - Меню создать

Рисунок 16 - Опции компилятора

Настройка связи

Для настройки связи нажимаем на кнопку Отладка->Установление связей и в открывшемся окне (рисунок 17) настраиваем параметры связи ПК с блоком БЦП, как приведено на рисунке 18.

Рисунок 17 - Параметры связи ПК-ПЛК

Рисунок 18 - Параметры связи ETHERNET

Генерация кода приложения

После окончания всех настроек, создадим код приложения для загрузки в контроллер (кнопка Создать код приложения). Результат будет показан в отдельном окне на рисунке 19.

Рисунок 19 - Окно генератора кода

Загрузка программы в контроллер

Теперь программа регулирования готова к загрузке в контроллер. Необходимо запустить отладчик с помощью кнопки на панели управления, при этом на экране появится окно отладчика. Если в БЦП уже было ранее загружено приложение, перед загрузкой нового необходимо кнопкой остановить его. Загрузка готового приложения осуществляется кнопкой . После загрузки появится окно, изображенное на рисунке 20. Откроем сам проект и проверим его работоспособность. Результат представлен на рисунке 21.



Рисунок 20 - Отладчик ISaGRAF

Рисунок 21 - Рабочая программа



4. Программный пакет MasterScada

4.1 Назначение, состав и функции Scada-пакетов

SCADA (от англ. Supervisory Control And Data Acquisition - Диспетчерское управление и сбор данных) - данное понятие обычно применяется к системе управления в промышленности: система контроля и управления процессом с применением ЭВМ.

SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы:

Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) - инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им;

Диспетчерская система - собирает данные о процессе и отправляет команды процессу (управление);

Устройство связи с объектом, либо УСО (RTU, англ. Remote Terminal Unit), подсоединяемый к датчикам процесса. Преобразует сигнал с датчика в цифровой код и отправляет данные в диспетчерскую систему;

Программируемый Логический Контроллер (PLC, англ. Programmable Logic Controller) используется как полевое устройство из-за экономичности, универсальности и гибкости нежели УСО специального назначения;

Коммуникационная инфраструктура для реализации промышленной сети.

SCADA-системы решают ряд задач:

Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.

Обработка информации в реальном времени.

Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.

Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.

Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределенной архитектуре.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным программным обеспечением для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogіс [3].

4.2 Описание программного пакета

MasterScada - система для АСУТП, MES, задач учета и диспетчеризации.

MasterScadaA - это не просто один из современных SCADA- и SoftLogic-пакетов, это принципиально новый инструмент разработки АСУ ТП. В нем реализованы средства и методы разработки проектов, обеспечивающие резкое сокращение трудозатрат и повышение надежности создаваемой системы. Это первая в нашей стране система, в которой реализован объектный подход к разработке АСУТП.

MasterScada является полнофункциональным SCADA-пакетом программ с расширяемой функциональностью. Пакет построен на клиент-серверной архитектуре с возможностью функционирования, как в локальных сетях, так и в Интернете. Прием и передача данных и сообщений на основе стандартов ОРС встроена в ядро пакета. Максимальная поддержка всех стандартов (XML, HTML, ODBC, OLE, COM/DCOM, ActiveX и др.) и открытые описания интерфейсов и форматов данных обеспечивают все необходимые возможности для стыковки с внешними программами и системами.

Основные преимущества MasterScada для создания АСУТП и систем диспетчеризации:

Единая среда разработки АСУ ТП.

Раздельное конфигурирование структуры АСУ ТП и логической структуры объекта.

Открытость и следование стандартам.

Интуитивная легкость освоения.

Удобство инструментария.

Удобство методики разработки.

Мощная трехмерная графика и мультимедиа.

Неограниченная гибкость вычислительных возможностей.

Мощная трехмерная графика и мультимедиа.

Неограниченная гибкость вычислительных возможностей.

Объектный подход.

Редактор схем функциональных блоков.

Реализованная в пакете концепция “всё в одном” обеспечила “бесшовное” объединение всех функциональных модулей в едином пользовательском интерфейсе. Все модули расширения встроены в общую оболочку.

Проект состоит из двух разделов: «Система» и «Объект». Раздел «Система» описывает техническую структуру реализуемой системы. Раздел «Объект» описывает иерархическую структуру контролируемого технологического объекта свойства и документы каждого объекта.

Пользователь всегда работает с простым единым внешним видом программы, состоящим из древовидного проекта, палитры библиотечных элементов и окна редактирования документов и свойств (рисунок 22):

Рисунок 22 - Внешний вид программы MasterScada

Дерево системы отображает элементы конфигурации такие, как компьютеры, ОРС серверы, и т. д.;

Дерево объектов показывает объекты, переменные, группы переменных, функциональные элементы;

Страницы свойств элементов позволяют настраивать элементы;

Палитра элементов позволяет выбирать библиотечные объекты, функциональные блоки и т. д.

В зависимости от типа настраиваемого свойства или редактируемого документа в окне редактирования открывается страница настройки нужного свойства, либо необходимый встроенный или внешний редактор.

Также есть возможность манипулировать объектом как единым целым - тиражировать, помещать в библиотеку, переносить в другие проекты.

В MasterScada реализуются основные принципы ООП: инкапсуляция, наследование, полиморфизм. Она реализуется в таких особенностях MasterScada, как наследование свойств в объектной иерархии проекта, возможность запрета для облегчения тиражирования использовать в документах объекта внешние по отношению к нему переменные, а также типизация (на уровне пакета в целом или для конкретного проекта) документов различных объектов, входящих в проект, и действий с ними.

MasterScada предоставляет библиотеки готовых технологических объектов. Возможность перетащить на мнемосхему не требующий настройки готовый объект, уже имеющий динамизированное изображение, сообщения, логику работы, окно управления и т. д., и есть один из главных резервов роста производительности труда разработчиков АСУ ТП.

Любой объект, имеющий мнемосхему, может быть перетащен в другую мнемосхему в виде кнопки со сжатым изображением его собственной мнемосхемы и функцией вызова любых принадлежащих ему документов [3].

Представление любой перетащенной из проекта на мнемосхему переменной в виде щитового прибора или сигнализатора, а групп переменных - в виде таблиц или графиков позволяет быстро разработать полноценный пользовательский интерфейс. Применение стандартных и создаваемых пользователем шкал переменных, определяющих контролируемые границы и скорость изменения, единицу измерения и точность, обеспечивает унификацию отображения переменных во всех частях пользовательского интерфейса MasterScada в режиме исполнения.

Собственные возможности графической подсистемы - поддержка объемной графики, встроенный редактор анимации растровых изображений со спецэффектами (движение, вращение, фокусировка и т. п.).

Создание отчетных документов облегчается готовым шаблоном стандартного сменного или суточного рапорта со встроенными функциями вычисления почасовых и иных средних и интегральных значений для аналоговых переменных, а также счетчиков включений и моторесурса - для дискретных.

Существует три возможных варианта работы в режиме исполнения.

Рабочий режим. Это основной режим исполнения. В Рабочем режиме должен быть осуществлен переход к нему на всех компьютерах системы. Программа производит реальное управление технологическим процессом.

Режим отладки. Этот режим предназначен для отладки проекта на одном компьютере. Независимо от того, сколько компьютеров находится в дереве системы, все объекты, функциональные блоки, OPC серверы создаются на текущем компьютере и все действия производятся на нем.

Режим имитации. В этом режиме на все входы, не имеющие связей, вместо констант будет подаваться имитация в соответствии с настройками системы [3].

4.3 Методика разработки программ визуализации процессов контроля, регулирования и сигнализации

Любая программа визуализации использует переменные технологической программы пользователя контроллера КРОСС-500, т.е. переменные SCADA-системы ссылаются на переменные ISaGRAF. При этом связь переменных осуществляется через ОРС сервер, предназначенный для сопряжения ISaGRAF с MasterScada. Поэтому перед началом создания программы визуализации необходимо настроить и запустить ОРС - сервер.

Рассмотрим создание программы визуализации на примере мнемосхемы Управление, которая позволяет изменять значения задания (уставки), верхнего и нижнего порогов сигнализации, коэффициента пропорциональности и постоянной интегрирования. Для изменения значений этих показателей используется задатчик.

Создание проекта

Запускаем MasterScada и в открывшемся окне вводим имя проекта. После нажатия на кнопку ОК и ввода пароля появится окно проекта.

Так как MasterScada использует переменные контроллера необходимо создать соединение между контроллером и средой ISaGRAF. Для этого выделяем объект «Система» в дереве системы и в контекстном меню выбираем Вставить->Компьютер (рисунок 23). В странице свойств элемента в поле «Имя» вводим имя компьютера «Компьютер 1».

Рисунок 23 - Контекстное меню объекта Система

Далее к компьютеру добавляем ОРС сервер, как это показано на рисунке 24.

Рисунок 24 - Добавление ОРС сервера

Добавление ОРС переменных

Доступ к данным ОРС серверов осуществляется через ОРС переменные в MasterScada.