УДК 621.37/39:658.011.56 Реймген Юлия Эдуардовна студент гр. АУ-2-08 Московский государственный горный университет

УДК 621.37/39:658.011.56
Реймген Юлия Эдуардовна
студент гр. АУ-2-08
Московский государственный горный университет
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ. SCADA СИСТЕМА
AUTOMATED CONTROL SYSTEMS
OF TECHNOLOGICAL PROCESSES. SCADA SYSTEM
Ознакомление со SCADA системой.
1.1. SCADA.
SCADA (аббр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition,
Диспетчерское управление и сбор данных) [1] — программный пакет,
предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном
времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования
информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может
являться частью АСУ ТП, системы экологического мониторинга, научного
эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются
во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский
контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное
программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с
объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы.
Программный код может быть как написан на языке программирования
(например на C++, Step7), так и сгенерирован в среде проектирования.
Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для
программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы
называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.
Термин SCADA имеет двоякое толкование. Наиболее широко
распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного
комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также
инструментальных средств для разработки этого программного
обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают
программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA
более характерно для раздела телеметрия.
Телеметрия, телеизмерение (от др.-греч. «далеко» + «измеряю») —
совокупность технологий, позволяющая производить удалённые
измерения и сбор информации для предоставления оператору или
пользователю, составная часть телемеханики.
Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием
технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В
80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные
комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA
1.
114
больше используется для обозначения только программной части
человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.
Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) (англ. Human machine
interface, HMI) — широкое понятие, охватывающее инженерные решения,
обеспечивающие взаимодействие человека-оператора с управляемыми им
машинами.
1.2. Основные задачи, решаемые SCADA-системами.
SCADA-системы решают следующие задачи:
- 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.
- Логическое управление.
- 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.
MES (от англ. Manufacturing Execution System, производственная
исполнительная система) — специализированное прикладное программное
обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации,
координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какоголибо производства. С 2004 года термин расшифровывается как англ.
Manufacturing Enterprise Solutions — корпоративные системы управления
производством.
1.3. Основные компоненты SCADA
SCADA—система обычно содержит следующие подсистемы:
- Драйверы или серверы ввода-вывода — программы,
обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами,
счетчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
- Система реального времени — программа, обеспечивающая
обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом
приоритетов.
- Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine
Interface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса
человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и
115
управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного
интерфейса.
- Система логического управления — программа, обеспечивающая
исполнение пользовательских программ (скриптов) логического
управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
- База данных реального времени — программа, обеспечивающая
сохранение истории процесса в режиме реального времени.
- Система управления тревогами — программа, обеспечивающая
автоматический контроль технологических событий, отнесение их к
категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также
обработку событий оператором или компьютером.
- Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание
пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов
для их разработки.
- Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными
между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE и т. д.
OPC (OLE for Process Control) — семейство программных
технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления
объектами автоматизации и технологическими процессами.
DDE (Dynamic Data Exchange)
— механизм взаимодействия
приложений в операционных системах Microsoft Windows.
1.4. Концепции систем.
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам
контроля и управления всей системой, или комплексами систем,
осуществляемого с участием человека. Большинство управляющих
воздействий выполняется автоматически RTU или ПЛК.
RTU — Remote Terminal Unit — удаленное оконечное устройство. В
SCADA-системах под этим сокращением обычно понимают контроллер,
находящийся на объекте контроля и управления, выполняющий
непосредственный сбор данных с объекта и выдачу команд управления.
RTU является оконечным устройством в системе сбора данных, т.е. оно
подключено к окончанию канала связи с центральным устройством
системы.
Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается
RTU или PLC, а SCADA управляет режимами работы. Например, PLC
может управлять потоком охлаждающей воды внутри части
производственного процесса, а SCADA система может позволить
операторам изменять уставку для потока, менять маршруты движения
жидкости, заполнять те или иные емкости, а так же следить за тревожными
сообщениями (алармами), такими как — потеря потока и высокая
температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые
оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с обратной
связью проходит через RTU или ПЛК, в то время как SCADA система
контролирует полное выполнение цикла.
116
Сбор данных начинается в RTU или на уровне PLC и включает —
показания измерительного прибора. Далее данные собираются и
форматируются таким способом, чтобы оператор диспетчерской,
используя HMI мог принять контролирующие решения — корректировать
или прервать стандартное управление средствами RTU/ПЛК. Данные
могут также быть записаны в архив для построения трендов и другой
аналитической обработки накопленных данных.
2. Ознакомление с учебными стендами компании Siemens.
1. Стенд №1 – логически контроллер марки S7-300.
Контроллер[3](англ. controller — регулятор, управляющее
устройство) - устройство управления в электронике и вычислительной
технике.
Программируемый
логический
контроллер
(ПЛК)
(англ.
Programmable Logic Controller, PLC) или программируемый контроллер —
электронная
составляющая
промышленного
контроллера,
специализированного
(компьютеризированного)
устройства,
используемого для автоматизации технологических процессов. В качестве
основного режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных
условиях окружающей среды, выступает его автономное использование,
без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.
Контроллер S7- 300 (рис. 1) состоит из: блока питания, ведущее
устройство: например CPU313-2DP, соединением между CPU и
устройством программирования PC через MPI, PROFIBUS интерфейсы,
модулей ввода и вывода.
Рис. 1
117
Блок питания — вторичный источник электропитания (блок
питания, БП), предназначенный для снабжения узлов компьютера или
контроллера электрической энергией постоянного тока, а также
преобразования сетевого напряжения до заданных значений.
Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное
устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно — CPU,
дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный
блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода
программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или
программируемого
логического
контроллера.
Иногда
называют
микропроцессором или просто процессором.
MPI, PROFIBUS интерфейсы – представляют собой совокупность
средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.
MPI (многоточечный) интерфейс – интерфейс с устройством
программирования или памятью оператора или для обмена данными в
подсистеме MPI.
PROFIBUS см. ниже.
Полевым вводом/выводом (field IO) называется интерфейс для
подключения измерительных приборов и исполнительных механизмов
(обобщенно называемых полевыми устройствами) к системе управления
технологическим процессом.
К узлам полевого ввода/вывода подключаются как датчики,
измеряющие необходимые параметры технологического процесса, так и
исполнительные механизмы, с помощью которых система управления
может влиять на ход процесса.
2. Стенд №2 – ЕТ-200S. Децентрализованная периферия, связанная с
сетью PROFIBUS-DP между master устройством и slave- устройством.
Устройства децентрализованной периферии. При создании системы
входы и выходы процесса часто размещаются централизованно в
программируемом логическом контроллере. Если входы и выходы
находятся на значительном расстоянии от программируемого логического
контроллера, то проводка может оказаться очень протяженной и
труднообозримой, а электромагнитные помехи могут уменьшить
надежность системы. В таких системах часто целесообразно использовать
устройства децентрализованной периферии:
• CPU контроллера расположен в центральном пункте;
• Периферийные устройства (входы и выходы) работают
децентрализовано на месте;
• Высокопроизводительная система PROFIBUS–DP с ее высокой
скоростью передачи обеспечивает быстрый и надежный обмен информацией
между CPU контроллера и периферийными устройствами.
• Уменьшаются затраты на монтаж, так как требуется меньше кабелей.
118
Физически PROFIBUS–DP – это или электрическая сеть на основе
экранированной 2-проводной линии, или оптическая сеть на основе
волоконно-оптического кабеля.
Протокол передачи “DP” обеспечивает быстрый, циклический обмен
данными между CPU контроллера и периферийными устройствами.
3. Стенд №3 – преобразователь частоты.
Преобразователь частоты предназначены для регулирования
трехфазных электродвигателей. Отдельные поставляемые модели имеют
диапазон мощностей 120 Вт при однофазном входе и до 75кВт при
трехфазном входе. Преобразователи оснащены микропроцессорной
системой управления и используют самые современные технологии с IGBT
модулями – транзисторами (Insulated Gate Bipolar Transistor = биполярный
транзистор с изолированным затвором). Вследствие этого преобразователи
надежны и разнообразны. Оригинальный способ широтно-импульсной
модуляции с выбором частоты коммутации дает возможность бесшумной
работы электродвигателя. Обширные функции защиты обеспечивают
эффективную защиту преобразователя и электродвигателя.
3.Ознакомление с программой SIMATIC STEP7.
Новая система автоматизации SIMATIC [4,7] объединяет все
подсистемы, используемые в решении задач автоматизации, – от полевого
уровня до управления процессом – в рамках однородной системной
архитектуры в гомогенное целое. Это достигается с помощью
интегрированных конфигурирования и программирования, управления
данными и коммуникации программируемыми контроллерами (SIMATIC
S7), компьютерами автоматизации (SIMATIC М7) и системами управления
(SIMATIC С7). Всем нуждам автоматизации процесса и производства
отвечают три серии программируемых контроллеров: S7-200 – компактные
контроллеры («микро-PLC»), S7-300 и S7-400 – контроллеры с
возможностью модульного расширения, предназначенные для применения
как
в
системах
с
минимальными
требованиями,
так
в
высокопроизводительных системах.
STEP 7, дальнейшее развитие STEP 5, является программным
обеспечением разработки программ для нового SIMATIC. С целью
использования преимущества знакомого пользовательского интерфейса
стандартных ПК (PC) (окна, операции с мышью) в качестве операционной
системы выбрана Microsoft Windows 95/98 или Windows NT.
3.1. Программируемая среда STEP7
Программная среда STEP 7 имеет три языка программирования. Это
LAD, STL и FBD. Проект будем программировать на языке LAD [2].
119
Рис. 2.
Язык программирования LAD
Применяется исключительно при программировании промышленных
логических контроллеров и был создан для простого перехода от релейноконтакторных схем, к системам управления, построенных на логических
контроллерах.
Программирование заключается в прорисовке релейно-контакторной
схемы устройства, в которой, в общем виде контакты являются входами, а
катушки реле выходами.
Язык программирования FBD
Тоже графический язык и тоже применяется для программирования
только PLC.
Был создан для быстрого перехода с цифровых систем логического
управления на логические контроллеры, а потому больше подойдет
электронщикам.
Основан на графическом отображении логических элементов «И»,
«ИЛИ», «НЕ» и прочих для решения конкретной задачи управления.
Язык программирования STL
STL – это язык низкого уровня разработанный Siemens специально
для программирования контроллеров Simatic. Разработан он был на основе
языка IL, который в свою очередь очень близок с ассемблером.
Этот язык уже в полной мере позволяет использовать математические
вычисления, а потому чаще применяется при написании сложных
программ.
Основан язык на последовательном выполнении инструкций (кода), а
написание программы на этом языке представляет собой описание
операторов и переменных.
120
3.2. Область памяти
Таблица 1.
Доступные области памяти, их описание и формат доступа.
Типы данных BOOL, BYTE, WORD, DWORD, CHAR
Переменная типа BOOL представляет собой значение бита (например,
входа I1.0). Переменные типов данных BYTE, WORD и DWORD
представляют собой последовательности битов, состоящие соответственно
из 8, 16 и 32 битов; при этом отдельные биты не проверяются.
4. Управление автоматизированным процессом в SCADA системе
WINCC.
WinCC [5] - первый в мире IHMI (Integrated Human Machine Interface Интегрированный Человеко-машинный Интерфейс) - программная
система, которая полностью интегрирует Ваше программное обеспечение
для управления установкой в Ваш автоматизируемый процесс. Его
дружественные к пользователю компоненты автоматизации предлагают
беспроблемную интеграцию в Ваши новые или уже существующие
установки. WinCC, комбинируют современную архитектуру приложений
Windows NT с простотой использования графической разработки
программ. Он предоставляет все необходимые функции для построения
полного мониторинга процесса и решения задач управления.
WinCC содержит:
• Graphics - создание представления установки на Вашем экран
• Archiving - запись со штампом времени данных/событий в Базу
данных SQL
• Reports - генерация отчетов на основе запрашиваемых данных
• Data Management - определение и сбор данных по всей установке
WinCC Runtime
121
• Предоставляет оператору на уровне установки или в пункте
управления интерфейс к приложениям производственного уровня.
Подробнее Рабочее (Run-Time) программное обеспечение
охватывает заранее запрограммированные решения, которые могут быть
вызваны программой пользователя. Рабочее программное обеспечение
непосредственно встроенов решение задачи автоматизации. Оно включает
в себя:

модульный и
нечеткий регулятор

ля связи программируемых
контроллеров с
приложениями Windows

Операционную систему реального времени для SIMATIC M7
5.
Задача.
Составить программу контролирования давления объекта на
программе STEP 7 , выявить в графическом виде в программной среде
WINCC и проверить на логическом контроллере S7-300.
Условие: дано 3 насоса. В нормальном режиме работают 2 насоса.
Если давление уменьшается до 5 кг, то высвечивается сигнализация
«Внимание! Низкое давление!!!», если давление уменьшается до 3 кг, то
высвечивается сигнализация «Включить насос!» и если давление
понизилось до 1 кг, то контроллер сам включает резервный 3-ий насос.
Шкала давления от 0 до 10 кг.
5.1. Решение. Описание работы в STEP7
В первую очередь запускаем с рабочего стола программу STEP 7 [6].
Создаем новый проект File—New (рис. 3).
В пустой графе Name пишем имя нового проекта и нажимаем ОК.
Рис. 3.
122
Открываем Hardware и заполняем рейку список аппаратной части.
(рис. 4.)
Рис. 4.
После создания списка аппаратной части открываем наш проект
(рис. 5.) под названием
Proba1207
SIMATIC 300
CPU313C-2DP
S7 Program(1)
Sources
Blocks
OB1
Рис. 5.
Выбираем язык программирования LAD (рис. 6).
123
Рис. 6.
На рабочем окне собираем программу контролирования давления
объекта. В данном случае (рис. 7, рис. 8) наша программа состоит из
шкалы, разомкнутых ключей (I0.0 ,I0.1), трёх компараторов (вида
CMP<=R и трёх выходов (Q4.1, Q4.2, Q4.3). 2 компаратора (по задачи это
2 насоса) работают одновременно в нормальном режиме, 3-ий включается
при определенной заданной величине.
Рис. 7.
124
Каждый элемент программы:
Рис. 8.
Заливаем программу в контроллер. Нажимаем кнопку Download
125
Переходим в режим Runtime
и проверяем наш проект (рис. 9.).
В нормальном режиме работают первые 2 насоса.
Рис. 9. Окно в режиме Runtime.
И так мы выполнили первое задание, то есть составили программу
контролирования давления объекта на программе STEP 7.
Покажем работу каждого элемента программы по отдельности:
1. При уменьшении давления до 5 кг, высвечивается сигнализация
«Давление понизилось» (рис. 10).
Рис. 10.
126
2. При уменьшении давления до 3 кг, высвечивается сигнализация
«Включить насос» (рис. 11).
Рис. 11.
3. При уменьшении давления до 1 кг котроллер сам включает
резервный 3-ий насос (рис. 12).
Рис. 12.
Теперь нам надо выявить программу в графическом виде на
программной среде WINCC[5].
5.2. Решение. Описание работы на программной среде WINCC.
Запускаем SIMATIC WinCC Explorer с рабочего стола.
Создаем новый проект File—New
127
В окне (Create a New project) создание нового проекта выбираем
(single-user project) проект одного пользования. И нажимаем ОК.
В пустой графе Project Name пишем имя нового проекта и нажимаем
ОК
Создаем связь между проектом созданным в программе STEP 7 и
проектом созданным в программе WinCC (рис. 13).
SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
PROFIBUS
New Driver
Conection.
Рис. 13.
Каждому элементу создаем теги (рис. 14).
SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE
PROFIBUS
New Tag
New Conection_1
Рис. 14. Создание тегов.
128
Открываем графический дизайнер (
Graphics Designer) и рисуем
наш объект (рис. 15). К каждому элементу связываем созданные наши
теги.
Рис. 15.
Сохраняем
и переходим в режим Run Time
, так мы можем
увидеть результат работы и проверить проект (рис. 16-19).
Рис. 16. Работа в нормальном режиме.
129
Рис. 17. Работа при уменьшении давления до 5 кг.
Рис. 18. Работа при уменьшении давления до 3 кг.
130
Рис. 19. Работа при уменьшении давления до 1 кг.
Заключение.
Концепция SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом
развития систем управления и результатами научно-технического
прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого
уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления,
сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.
Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI),
предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность
представляемой на экране информации, доступность "рычагов"
управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и
т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и
сводит к нулю его критические ошибки при управлении.
Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет
автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить ещё
ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки
разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на
их разработку.
В настоящее время SCADA является основным и наиболее
перспективным методом автоматизированного управления сложными
динамическими системами (процессами).
131
Литература.
[Электронный источник] – режим доступа:
1. Википедия. –
ru.wikipedia.org
2. Ганс Бергер Автоматизация с помощью программ STEP7 LAD и
FBD.
3. Контактный план для S7-300 и S7-400 программирования
(справочное руководство).
4. Методический материал по STEP7 (pdf)
5. SCADA система WinCC (учебное пособие)
6. Simatic. Работа со STEP7 первые шаги.
7. STEP7 - язык программирования промышленных контроллеров
(учебное пособие).
Аннотация.
В данном докладе описано, что такое SCADA система, применение её
и работа на базе устройств фирмы SIEMENS, описаны структура и состав
SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS. Структура и состав систем управления,
разработан алгоритм определённой системы управления по принципам
программирования на STEP7 – языке программирования промышленных
контроллеров SIMATIC S7 фирмы SIEMENS, описана программируемая
среда STEP7, показано как работает этот алгоритм и показана стендовая
отладка системы управления.
In this lecture describes what SCADA system, its application and operation
of devices based on the company SIEMENS, describes the structure and
composition of the SIMATIC S7-300 from SIEMENS. The structure and
composition of the control systems, developed an algorithm for a particular
management system based on principles of programming in STEP7 programming language for industrial controllers SIMATIC S7 company
SIEMENS, described Wednesday programmable STEP7, shows how this
algorithm and shows the bench debug control system.
Ключевые слова.
автоматизированные
системы
управления
технологическими
процессами (АСУ ТП), диспетчерское управление и сбор данных
(SCADA), человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), контроллер-регулятор,
управляющее устройство, программируемый логический контроллер
(ПЛК), центральный процессор (ЦП), центральное процессорное
устройство (ЦПУ)
automated control systems of technological processes, Supervisory Control
And Data Acquisition (SCADA), human machine interface (HMI), controller,
programmable logic controller (PLC), сentral Рrocessing Unit (CPU)
132