48707 (Разработка человеко-машинного интерфейса в GraphWorX32), страница 3

Рис.6. Тенденции причин аварий в сложных автоматизированных системах.

Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса, то есть период появления мощных, компактных и недорогих вычислительных средств, пришёлся пик исследований в США по проблемам человеческого фактора в системах управления, в том числе по оптимизации архитектуры и человеко-машинного интерфейса в SCADA - системах.

Изучение материалов по проблемам построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показало необходимость применения нового подхода при разработке таких систем: human-centered design (или top-down, сверху-вниз), т.е. ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося hardware-centered (или bottom-up, снизу-вверх), в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения). Применение нового подхода в реальных космических и авиационных разработках и сравнительные испытания систем в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), США, подтвердили его эффективность, позволив увеличить производительность операторов, на порядок уменьшить процедурные ошибки и свести к нулю критические (некорректируемые) ошибки операторов.

2.1 SCADA-системы: общие понятия и структура

SCADA - процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие реального времени отличается для различных SCADA-систем.

Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации. Все современные SCADA-системы включают 3 основных структурных компонента (рис.7).

Рис.7. Основные структурные компоненты SCADA-системы.

Remote Terminal Unit (RTU) удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени; одна из основных функций обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде: от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи, до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

В системе диспетчерского управления человек-оператор должен выполнять следующие функции:

планирование действий;

программирование компьютерной системы на следующие действия;

отслеживание результатов (полу) автоматической работы системы;

человек-оператор должен вмешиваться в процесс, в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;

обучение в процессе работы (получение опыта).

Для выполнения этих функций, к SCADA системам предъявляются следующие требования:

надёжность системы (технологическая и функциональная);

безопасность управления;

точность обработки и представления данных;

простота расширения системы.

В целях безопасности SCADA система должна обладать следующими свойствами:

никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).

SCADA системы могут применяться в различных сферах: как в узких, так и в более широких. Они применяются в управлении передачи и распределения электроэнергии, в промышленных производствах, в производствах электроэнергии, в водозаборах и водоочистках, в добыче и транспортировки нефти и газа, в управлении космическими объектами, в телекоммуникациях, а так же в военной области.

В настоящее время в развитых зарубежных странах наблюдается настоящий подъем по внедрению новых и модернизации существующих автоматизированных систем управления в различных отраслях экономики; в подавляющем большинстве случаев эти системы строятся по принципу диспетчерского управления и сбора данных. Характерно, что в индустриальной сфере (в обрабатывающей и добывающей промышленности, энергетике и др.) наиболее часто упоминаются именно модернизация существующих производств SCADA-системами нового поколения. Эффект от внедрения новой системы управления исчисляется, в зависимости от типа предприятия, от сотен тысяч до миллионов долларов в год; например, для одной средней тепловой станции он составляет, по подсчетам специалистов, от 200000 до 400000 долларов. Большое внимание уделяется модернизации производств, представляющих собой экологическую опасность для окружающей среды (химические и ядерные предприятия), а также играющих ключевую роль в жизнеобеспечении населенных пунктов (водопровод, канализация и пр.). С начала 90-х годов в США начались интенсивные исследования и разработки в области создания автоматизированных систем управления наземным (автомобильным) транспортом ATMS (Advanced Traffic Management System).

3. Обзор программных средств для разработки человеко-машинного интерфейса

В настоящее время на рынке существует множество SCADA систем, но но речь пойдёт о более популярных. Первая такая система - это SIMATIC WinCC.

SCADA система SIMATIC WinCC (Windows Control Center) - это компьютерная система человеко-машинного интерфейса, работающая под управлением операционных систем Windows 2000/XP и предоставляющая широкие функциональные возможности для построения систем управления различного назначения:

простое построение конфигураций клиент-сервер;

поддержка резервированных структур систем автоматизации;

неограниченное расширение функциональных возможностей благодаря использованию ActiveX элементов;

открытый OPC-интерфейс (OLE for Process Control) интерфейс для реализации функций обмена данными;

простое и быстрое конфигурирование системы в сочетании с пакетом STEP 7.

Базовая конфигурация системы включает в свой состав набор функций, позволяющих выполнять событийно управляемую сигнализацию, архивирование результатов измерений, регистрировать технологические данные и параметры настройки конфигурации, функции управления и визуализации. Целый ряд функций может быть реализован с помощью встроенных ANSI-C компилятора и VisualBasic-script: от простейших операций до полного доступа к системным функциям SIMATIC WinCC. Кроме того, базовая система может дополняться опциональными пакетами WinCC и WinCC Add-ons.

На основе WinCC могут создаваться как простейшие системы человеко-машинного интерфейса с одной станцией оператора, так и мощные многопользовательские системы, включающие в свой состав десятки станций. Поддержка стандартных интерфейсов OLE, ODBC, OLE и SQL обеспечивает универсальность и открытость WinCC, позволяет использовать ее в сочетании с любым другим программным обеспечением. WinCC легко интегрируется во внутреннюю информационную сеть компании. Это не только снижает затраты на ее внедрение, но и повышает гибкость информационной системы.

Система SIMATIC WinCC разработана для решения задач визуализации и оперативного управления в различных областях промышленного производства. Система оснащена мощным интерфейсом для связи с процессом, пригодна для работы со всем спектром изделий SIMATIC, обеспечивает парольный доступ к управлению процессом, обладает высокой производительностью. Базовая конфигурация системы обладает высокой универсальностью и может быть использована для построения систем управления самого разнообразного назначения.

Открытая система визуализации фирмы SIEMENS WinCCTM позволяет легко и просто интегрировать компоненту визуализации и обслуживания в создаваемые или уже существующие системы технологического управления, избежав при этом непомерных затрат на проектирование и написание программного обеспечения, и конечно же она поддерживает русский язык. Ядро продукта WinCCTM образует нейтральная по отношению к отраслям промышленности и технологиям базовая система, которая оснащена всеми важнейшими функциями визуализации и обслуживания.

Так же на рынке популярна SCADA-система TRACE MODE.

Рис.8 Графическая мнемосхема процесса, созданная в SCADA-системе TRACE MODE.

TRACE MODE предназначена для разработки крупных распределенных АСУТП (автоматизированных систем управления технологическим процессом) широкого назначения. TRACE MODE создана в 1992 году фирмой AdAstra Research Group Ltd (Россия), и к настоящему времени имеет свыше 7000 инсталляций. Системы, разработанные на базе TRACE MODE, работают в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве России. По числу внедрений в России TRACE MODE значительно опережает зарубежные пакеты подобного класса. TRACE MODE - основана на инновационных, не имеющих аналогов технологиях. Среди них: разработка распределенной АСУТП как единого проекта, автопостроение, оригинальные алгоритмы обработки сигналов и управления, объемная векторная графика мнемосхем, единое сетевое время, уникальная технология playback - графического просмотра архивов на рабочих местах руководителей. TRACE MODE - это первая интегрированная SCADA - и softlogic-система, поддерживающая сквозное программирование операторских станций и контроллеров при помощи единого инструмента. Разработка графического интерфейса операторских станций проекта осуществляется в объектно-ориентированном редакторе представления данных.

Графические изображения создаются в векторном формате DBG, однако возможно использовать и растровые изображения в формате BMP. Размер графического поля и число экранов не ограничены. Редактор содержит библиотеки объемных изображений мнемосхем технологических объектов, включающих баки, емкости, трубы, задвижки, а также их различные сечения и сопряжения. Формы динамизации содержат все необходимые элементы, в т. ч. гистограммы, графические, цветовые и звуковые сигнализаторы, тренды, бегущие дорожки, мультипликацию и т.д. Обширный набор библиотек технологических объектов, включающий емкости, теплообменники, электротехнические символы и др., а также панели управления, ввода заданий, регуляторов, приборов и т.д. Любая часть изображения может быть включена в объекты и анимирована произвольным образом. Для импорта изображений из других приложений Windows (например из AutoCAD) редактор поддерживает форматы WMF и EMF. Графические мнемосхемы возможно редактировать в реальном времени.

Исторические тренды TRACE MODE позволяют вводить неограниченное число переменных с неограниченной глубиной. В реальном времени пользователь может добавлять и удалять выводимые на тренд параметры, производить масштабирование и смещение трендов по осям X и Y. Тренды имеют визир и вывод значений в точке курсора. Основные функции:

модульная структура - от 128 до 64000х16 I/O. Количество тегов неограниченно;

0,001 с - минимальный цикл системы;

открытый формат драйвера для связи с любым УСО.

открытость для программирования (Visual Basic, Visual C++ и т.д.);

разработка распределенной АСУТП как единого проекта;