СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ПРОГРАММИРОВАНИЯ НОВОЕ КАЧЕСТВО ЖИЗНИ КОНТРОЛЛЕРОВ

Скачать

И.Г. Варламов (ООО "ИнСАТ")

В настоящее время контроллер является самодостаточным звеном в небольших системах управления (уже никого не удивишь возможностью управлять климатом в загородном доме или вести видеонаблюдение через Интернет). В то же время появилась возможность более тесно интегрировать контроллеры в распределенную систему управления. За счет чего это произошло? Контроллеры, с точки зрения их физической реализации, остались практически те же. 

Новые качества им придают системы программирования нового поколения, характерными особенностями которых являются высокая степень децентрализации, унификация системы визуализации и исполнительных систем на устройствах разного типа, широкое применение интернет-технологий и облачных решений. Эти возможности размывают прежде считавшиеся незыблемыми границы между верхним и нижним уровнем, а также в классификации устройств по их функциональному назначению. В «классической» структуре автоматизированного управления (рис. 1) у каждого устройства было строго свое функциональное назначение, и для каждого из них существовали свои средства разработки.

 

 

РИС. 1. «Классическая» система автоматизации одиночной архитектуры

 

Контроллеры осуществляли опрос полевого оборудования, первичную обработку сигналов, вычисление логики управления и выработку управляющих сигналов. Они представляли собой нижний уровень систем управления, для программирования которого применялись, как правило, специализированные средства, получившие название SoftLogic. В системах, требующих постоянного операторского контроля над технологическим процессом, организация взаимодействия персонала с системой управления посредством человеко-машинного интерфейса (HMI) реализовывалась на персональных компьютерах, производящих сбор информации от устройств нижнего уровня, отображение информации на экранах мониторов, ведение баз данных, формирование журналов событий, обеспечение аварийной сигнализации, генерирование отчетов. Реализация этих функций обеспечивалась SCADA, являющихся верхним уровнем системы управления. Системы программирования могут быть вертикально интегрированными, т. е. сочетать в одной среде разработки средства программирования контролеров со средствами проектирования HMI. В зависимости от сложности, системы построены по одиночной или по клиент-серверной архитектуре, но, независимо от это- го, остается разделение на верхний и нижний уровни, каждый из которых функционирует на устройствах своего типа и программируется свои- ми средствами. 

Системы нового поколения, благодаря кроссплатформной среде исполнения и визуализации, предоставляют возможность свободно перемещать любые компоненты проекта между устройствами не только различного типа, но и построенными на различных программно- аппаратных платформах. Например, систему визуализации (ранее принадлежавшую АРМ) можно перенести в контроллер и получить доступ к нему с помощью тонких клиентов с других устройств сети. Это позволяет сделать контроллер самодостаточным узлом для небольших систем. И наоборот, часть функций контроллера с целью экономии его ресурсов можно делегировать другим узлам, таким как виртуальный или облачный сервер. Одним из примеров системы программирования нового поколения является MasterSCADA 4D. И с п о л н и т е л ь н а я с и с т е м а MasterSCADA 4D является кроссплатформной и поддерживает такие операционные системы, как Windows, Linux, Android, QNX, Эльбрус и Unix не только на уровне контроллера, но и на всех уровнях систем управления - локальных HMI-панелях, АРМ оператора, серверах, облачных сервисах. 

Межузловое взаимодействие основано на стандарте OPC UA, что дает возможность построения систем в гетерогенных сетях и обеспечивает бесшовное (незаметное для разработчика) соединение между различными устройствами: любая переменная процесса, любой параметр одинаково доступны для любых компонентов проекта независимо от места их физического расположения. Средства программирования представлены хорошо знакомыми разработчикам SoftLogic языками стандарта МЭК 61131-3: ST (язык структурного текста), FBD (язык функциональных блоков), SFC (язык функциональных последовательностей) и LD (язык релейной логики). Благодаря унификации исполнительной системы, эти языки теперь используются для программирования логики не толь- ко контроллеров, но и любых других компонентов системы, включая компоненты визуализации, в том числе, исполняемые непосредствен- но в браузере. Среда разработки реализована по принципу раздельного построения физической структуры проекта и его логической части — программной и графической (рис. 2).

 

РИС. 2. Дерево физической структуры проекта (слева) и дерево логической структуры (справа)

 

Такой подход позволяет легко переносить готовый проект на другую систему, имеющую не только различные аппаратные средства, но и иную структуру. Программно-логическая и визуальная часть проекта при этом остаются неизменными, требуется только переконфигурировать физическую структуру проекта — переназначить узлы и оборудование. При разработке логической части проекта традиционно используется объектный подход, суть которого состоит в объединении некоторой совокупности прикладных программ, данных, графических элементов и других эле- ментов проекта, включая внутренние связи между ними, в отдельную именованную сущность. Это значительно упрощает работу с однотипными объектами. И с п о л н и т е л ь н а я с и с т е м а MasterSCADA 4D уже портирована на контроллеры многих отечественных и зарубежных производителей, среди которых ОВЕН, Ротек, ЭЛНА, TREI, MOXA, ICP DAS, Advantech и др. Примером системы, реализован- ной на MasterSCADA 4D, в которой все логические компоненты проекта исполняются в контроллере, может служить система диспетчеризации котельной — одного из объектов предприятия «Орловские тепловые сети» (рис. 3, 4).

РИС. 3. Структурная схема системы диспетчеризации котельной

 

 

 

РИС. 4. Среда разработки MasterSCADA 4D. Проект диспетчеризации котельной

 

Система построена на базе контроллера bTune серии BT6000 производства компании Ротек. Опрос периферийного и полевого оборудования производится по протоколу MODBUS. В контроллере реализована логическая часть проекта и система визуализации. Логическая часть проекта производит опрос и обработку переменных процесса, их хранение в краткосрочном архиве, выработку аварийных сообщений, отправку их по электронной почте и формирование журнала событий. В контроллере предусмотрен веб-сервер, отвечающий за систему визуализации. Графическая часть интерфейса содержит мнемосхему (рис. 5), тренды переменных и журнал событий.

 

РИС. 5. Мнемосхема технологического процесса котельной

Для доступа к веб-серверу используются штатные браузеры операторских станций, подключенных к контроллеру по сети Ethernet. К контроллеру также подключен ADSL-модем, благодаря чему одинаковый графический интерфейс доступен как на операторских станциях, так и через Интернет - с любых мобильных устройств, например планшетов или телефонов. Таким образом, в рассмотренной системе все необходимые функции реализованы непосредственно в контроллере и он является самодостаточным звеном. Разумеется, исполнение всех функций в контроллере возможно лишь для относительно небольших систем. В случаях, когда требуется накапливать долгосрочные архивы для большого количества переменных, интегрировать данные от нескольких устройств и иметь для них общую визуализацию, необходима более сложная архитектура системы [1]. Например, логика управления реализована в контроллере, а основные операции сбора, хранения и обработки данных производятся на сервере (рис. 6).

 

РИС. 6. Структурная схема системы на базе сервера

 

Возможен также вариант переноса части функций (в том числе архивирования и визуализации) в облачный сервис. Тогда контроллер соединяется непосредственно с облачным сервером (рис. 7).

 

РИС. 7. Структурная схема системы на базе облачного сервера

 

Важно отметить, что, независимо от архитектуры и сложности системы, все компоненты программируются в одной среде и одними и теми же средствами. Благодаря унификации исполнительной системы любой компонент, будь то программа, база данных или мнемосхема, одинаково выполняется как на контроллере, так и в облаке или на любом другом устройстве. * * * Развитие ИТ и современные средства программирования наделяют контроллеры новыми качествами, что предоставляет разработчику большую гибкость архитектурных решений в построении систем, а так- же дает возможность использовать одни и те же логические компоненты проекта для устройств различного типа и располагать их на различных уровнях в иерархии систем управления. Благодаря этому расширяется спектр применения наработок, а сами решения становятся более унифицированными, что сокращает затраты на создание систем управления и делает труд инженера более эффективным и плодотворным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Варламов И. Г. Средства автоматики и вычислительной техники: импортозамещение как продолжение традиций // Control Engineering Россия. 2016. № 2.

2. Аблин И. Е. MasterPLC. Контроллер как открытая платформа // Автоматизация производства. 2011. № 2. 3. Аблин И. Е. Заметка о вкусном и здоровом контроллере // ИСУП. 2014. № 3.