в. Примеры применения АСУ ТП
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АСУ ТП
7.4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ OPTOSOFT
7.4.1. Общие сведения о системе OPTOSOFT
В последнее время все большей популярностью пользуются распределенные системы, где «интеллект» рассредоточен по контроллерам, расположенным непосредственно у объектов контроля и управления. Контроллеры, как правило, связываются между собой и системами управления верхнего уровня с помощью низко- или среднескоростных сетей, в том числе с использованием специальных промышленных шин (fieldbus). Именно для таких контроллеров нижнего уровня фирмой «Парагон» разработано программное обеспечение реального времени OPTOSOFT. Система OPTOSOFT работает на IBM PC совместимых платформах под управлением операционной системы DOS. Система имеет модульную открытую архитектуру (рис.7.2), позволяющую гибко настраивать программное обеспечение под конкретную конфигурацию аппаратных средств контроллера и используемые коммуникационные протоколы. Основой OPTOSOFT является ядро реального времени, в котором реализованы принципы приоритетной вытесняющей многозадачности. Ядро вместе с API сообщений и расширенными функциями реального времени выполнено в виде TSR – программы DOS.
Все задачи, включая драйверы для плат расширения и логические драйверы коммуникационных протоколов, представляют собой однотипные программные модули, которые во время запуска ядра реального времени подгружаются в память по принципу DLL – библиотек системы Windows. Перечень запускаемых на выполнение задач определяется пользователем с помощью специального конфигурационного файла и зависит от конкретного сочетания аппаратных средств контроллера, а также от коммуникационных управляющих функций, которые он должен выполнять. Ядро реального времени решает проблему нереентерабельности DOS и корректно переключает контексты задач, включая контекст арифметического сопроцессора и различные системные таблицы DOS.
В настоящее время системой OPTOSOFT поддерживаются все платы расширения серии MicroPC, а в качестве коммуникационного протокола поддерживается широко используемый в системах промышленной автоматизации протокол OPTOMUX. Как правило, OPTOMUX в качестве физической среды передачи данных использует стандарт RS-485 и позволяет адресовать до 256 различных устройств.
7.4.2. Руководство пользователя
Так как система OPTOSOFT изначально разрабатывалась для использования на оборудовании MicroPC, то обеспечена очень тесная интеграция системы с данным оборудованием. В частности, руководство пользователя по OPTOSOFT содержит подробное описание драйверов для работы с платами ввода/вывода MicroPC. Дополнительно приводится краткое описание каждой платы, схемы подключения в наиболее вероятных ситуациях, а также пример использования команд протокола OPTOMUX в этих конфигурациях. Таким образом, пользователь сможет сразу использовать все свое оборудование, не изучая дополнительно описания плат расширения и спецификации протокола OPTOMUX. Настройка и подключение системы займет минимальное время. Самое главное, что использование протокола OPTOMUX избавляет от программирования на низком уровне – ведь, как правило, для каждого конкретного внедрения какой-либо системы требуется написание программ для подсистемы ввода/вывода.
Рекомендуемые материалы
7.4.3. Пример функционирования системы
Покажем на примере, как функционирует система. Как правило, для управления какими-либо производственными процессами используют удаленные методы контроля в сочетании с работой прикладной программы на вычислительном узле сети промышленных контроллеров.
Для передачи команд по протоколу OPTOMUX используется интерфейс RS-485. Узел сети получает команды через драйвер последовательного порта системы OPTOSOFT . Драйвер последовательного порта формирует соответствующее служебное сообщение и передает его логическому драйверу OPTOMUX – протокола. В свою очередь, драйвер протокола OPTOMUX распознает устройство, которому предназначается запрос, определяет, какое действие необходимо выполнить соответствующему драйверу аппаратного устройства, и отправляет сообщение этому драйверу во внутреннем представлении.
После выполнения запроса результат операции посылается как служебное сообщение драйверу протокола OPTOMUX, а затем, после преобразования в формат протокола OPTOMUX, драйверу последовательного порта для передачи по RS-485.
7.4.4. Локальный способ управления сбором данных
Дополнительно для пользователя предусмотрен локальный способ управления сбором данных. Запросы по протоколу OPTOMUX могут поступать не только по интерфейсу RS-485, но и от прикладных задач, которые работают локально. Это либо обычные приложения DOS, либо драйверы, разработанные для системы OPTOSOFT в соответствии со спецификациями интерфейса. Для этих программ предусмотрен способ передачи запросов по протоколу OPTOMUX через вектор прерывания. Эти запросы получает специальный драйвер системы OPTOSOFT , после чего они передаются как служебные сообщения драйверу протокола OPTOMUX.
Рис. 7.2. Структура системы OPTOSOFT.
Дальнейшая схема обработки запроса идентична случаю удаленного управления.
Для обеспечения многозадачности запросы от локальных приложений выполняются в асинхронном режиме, то есть прикладная программа, инициирующая запрос, получает управление сразу после прохождения запроса в систему. Для того чтобы получить результат выполнения запроса, прикладная задача в режиме опроса периодически проверяет статус выполнения.
Таким образом, можно сочетать как удаленный, так и локальный способы управления.
7.4.5. Протокол OPTOMUX
Система OPTOSOFT имеет дополнительный набор драйверов, которые используются для отладки. Например, драйвер SOFTTST позволяет вводить с клавиатуры OPTOMUX и получать результат в интерактивном режиме. Это очень удобное средство для настройки и отладки системы на этапе внедрения. Выбор протокола OPTOMUX не случаен. Многие производители программного обеспечения поддерживают этот протокол в своих системах.
Практически все пакеты SCADA (Genesis, и т.п.) поддерживают OPTOMUX, что позволяет применить IBM PC совместимые промышленные контроллеры, использующие систему OPTOSOFT, без дополнительных затрат на написание специальных драйверов для программного обеспечения верхнего уровня.
7.4.6. Особенность системы OPTOSOFT
Одна из особенностей системы OPTOSOFT – возможность развития и надстройки. Это означает, что система позволяет создавать новые драйверы для нового оборудования без модификации самой системы. Это возможно благодаря тому, что система OPTOSOFT имеет модульную архитектуру и универсальный интерфейс между модулями. Для того чтобы обеспечить возможность развития системы, в комплект поставки входят исходные тексты эталонного драйвера. На базе этих исходных текстов (шаблона) можно создать драйвер для оборудования, которое еще не поддерживается в рамках системы OPTOSOFT.
7.4.7. Возможности развития
Возможное направление развития – использование протоколов, отличных от OPTOMUX. Для внедрения в систему нового протокола достаточно создать новый драйвер, удовлетворяющий спецификации протокольного драйвера. В следующих версиях OPTOSOFT планируется поддержка Device Net, Arcnet, Ethernet и других.
7.5. ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ПАРОВОГО КОТЛА
7.5.1. Общие сведения
Значительное число тепловых электростанций на территории стран СНГ испытывают острую необходимость в модернизации систем контроля и управления (СКУ) основного технологического оборудования. Это обусловлено, помимо моральной деградации, исчерпанием физического ресурса средств КИПиА (как правило оборудование находится в эксплуатации 15-20 и более лет), а также отсутствием запасных частей (большинство используемых приборов снято с производства).
Радикальным решением проблемы является демонтаж существующей СКУ с заменой ее полномасштабной АСУ ТП (так называемый «бульдозерный» вариант). Однако он требует «крутых» единовременных затрат, длительного простоя оборудования, серьезной подготовки персонала, что не всегда приемлемо, учитывая сегодняшние реалии в энергетике, а также ограниченный оставшийся срок эксплуатации основного оборудования.
Вместе с тем существенное снижение остроты проблемы может быть достигнуто при внедрении относительно недорогих локальных наращиваемых информационно-управляющих систем (ИУС), которые бы «вписывались» в существующие СКУ с постепенным вытеснением по мере освоения и развития ее наиболее слабых узлов («безударный» вариант). Примером такого решения является ИУС Termocont-2000, разработанная и внедренная Киевским политехническим институтом при участии специалистов Киевского института автоматики и фирмы «Децима» на двух энергетических котлах БКЗ-420-140 НГМ Самарской ТЭЦ. Существенную помощь в организации и выполнении данной работы оказали сотрудники электростанции и специалисты служб АО «Самарэнерго».
7.5.2. Назначение и конфигурация системы
Система Termocont-2000 выполняет следующие основные технологические задачи:
· оперативный контроль (мониторинг) технологического процесса;
· автоматическое регулирование технологических параметров;
· постоперативный контроль качества эксплуатации оборудования;
· диагностику состояния наиболее теплонапряженных элементов поверхностей нагрева.
Система состоит из рабочих станций различного функционального назначения (рис. 7.3), которые объединены между собой локальной вычислительной сетью Ethernet (10 Мбит/с, протокол TCP/IP). Каждая из станций передает информацию об изменениях технологических параметров с дискретностью 0,1 с остальным абонентам системы. Реализован обмен информацией с вычислительной сетью АСУ ТЭЦ.
Технические средства системы размещены на групповом щите управления и обслуживают одновременно два газо-мазутных барабанных котла паропроизводительностью 420т/час.
В данной реализации применены следующие типы рабочих станций.
· Станция оператора (1 шт. на котел) обеспечивает ввод сигналов от датчиков информационной системы котла, мониторинг технологического процесса и интерфейс «оператор-система». Она базируется на промышленном компьютере i486DX-100/16/540 производства фирмы Advantech, который вместе с SVGA-монитором 15¢¢, функциональной клавиатурой и манипулятором мышь был вмонтирован в существующий пульт управления котлом.
Используется операционная система Windows 95, языки программирования Borland C++ и Delphi 2.0.
Рис. 7.3.Структурная схема информационно-управляющей системы парового котла.
· Станция авторегулирования (1шт. на котел) осуществляет цифровое автоматическое регулирование основных технологических параметров и процессов: давления пара с главным регулятором и стабилизацией расходов газа и мазута, питания котла водой, экономичности процесса горения, температуры перегрева пара, рециркуляция дымовых газов, расхода непрерывной продувки.
По просьбе заказчика станция выполнена на платформе промышленного контролера фирмы PEP Modular Computers на базе процессора Motorola 68030/40. Следует отметить недостаточную развитость инфраструктуры (слабая информационная поддержка, большие сроки поставки, узкий круг специалистов) для применения контролеров VME в странах СНГ. К числу недостатков следует также отнести высокую стоимость оборудования по сравнению с контролерами MicroPC. Контроллер вместе со вспомогательным оборудованием размещен в шкафу фирмы Scroll, установленном в отдельной приборной панели.
Используется операционная системы OS-9 (язык программирования - Ultra C, среда разработки - FasTrack).
· Инженерная рабочая станция (1 шт. на 2 котла) представляет собой полномасштабную рабочую станцию (ПЭВМ Pentium 100/16/1000), позволяющую в полном объеме выполнять все функции станции оператора, в т.ч. осуществлять подхват при отказе.
Помимо этого, она осуществляет ведение системных и технологических протоколов, архивирование истории процесса, обмен информацией с АСУ ТП, санкционированную модификацию баз данных (уставок, параметров настройки регуляторов, конфигураций, паролей и т.п.) и мнемосхем в режиме on-line, хранение резервных копий программного обеспечения с возможностью их загрузки на все рабочие станции системы.
Станция располагается на рабочем столе операторов группового щита управления.
Все рабочие станции ИУС запитываются через источник бесперебойного питания.
7.5.3. Ввод/вывод информации
Ввод сигналов от датчиков информационной подсистемы котла в рабочую станцию оператора осуществляется с помощью модулей удаленного ввода информации серии ADAM-4000 фирмы Advantech: ADAM-4017 - для ввода токовых сигналов, ADAM-4018 - для ввода для ввода термопар и млливольтовых датчиков, ADAM-4013 - для термометров сопротивления, ADAM-4052 - для дискретных сигналов.
Количество контролируемых параметров на котел составило 175 аналоговых и 32 дискретных. Количество установленных модулей ADAM - 30 шт., демонтированных штатных аналоговых приборов, не связанных с работой защит и сигнализации, - 20 шт.
Модули ADAM устанавливались рассредоточенно в непосредственной близости к существующим клемным сопротивлениям цепей датчиков. Ввод информации от модулей в компьютер осуществляется по интерфейсу RS-485 с помощью витой пары.
Измерение технологических параметров выполняется в заданной последовательности и с заданным темпом. Ввод относительно «быстрых» параметров (расход, давление) производится с периодичностью 1 с, «медленных» (температурные параметры) - 3с.
При решении задач авторегулирования для ввода информации применены модули ADAM-4000 для «медленных» регуляторов (температуры перегрева пара, рециркуляции дымовых газов и непрерывной продувки) и скоростной 16-ти канальный АЦП VADI-4 для остальных («быстрых») регуляторов. Для гальванической развязки и нормализации сигналов, поступающих на вход АЦП, использованы нормализаторы сигналов типа ADAM-3012.
Выдача управляющих воздействий цифровых регуляторов на исполнительные механизмы осуществляется с помощью двух шестнадцатиразрядных плат VDOUT с твердотельными реле (нагрузочная способность =30В/0,5А) с питанием выходных цепей от двух спаренных источников LX-200 фирмы Computer Products (=24В/9А).
С целью обеспечения надежной работы котла в период наладки и освоения ИУС обеспечена параллельная работа штатной и новой систем авторегулирования с возможностью оперативного перехода с одной системы на другую. Для этого исполнительные выходы новой системы регулирования заведены на входы «В» (внешний) блоков управления БУ-21 штатных аналоговых регуляторов системы «Каскад».
7.5.4. Обработка информации
Каждый контролируемый параметр на стадии его определения (измерения или вычисления) подвергается стандартной математической обработке, которая включает
· масштабирование измеренных сигналов;
· контроль достоверности путем сравнения с уставками «больше/меньше», «предельная скорость», а также путем логического анализа взаимосвязанных между собой параметров;
· контроль нарушений регламентных границ. Для каждого параметра могут быть заданы предупредительные и аврийные уставки на нижней и верхней границах.
Кроме того, в системе предусмотрена специальная математическая обработка, которая осуществляет вычисление непосредственно не измеряемых параметров (или корректирует значение измеренных параметров) с помощью формул, задаваемых пользователем в базе данных. Язык формул близок к естественному с использованием системы вложенных скобок. Формулы могут включать следующие основные компоненты:
· константы - в явном виде или задаваемые пользователем в базе данных;
· арифметические и логические операции, элементарные функции;
· функции теплофизических свойств воды и водяного пара;
· функции, реализующие номинальные статические характеристики термопар и термометров сопротивления;
· функции, оперирующие со значениями контролируемых параметров(текущее значение одного параметра; Ymin, Ymax, Ymid для групп параметров; скорость изменения параметра и т.п.).
Применение развитого механизма формул позволяет решать широкий круг задач, не прибегая к изменениям в программном обеспечении, - от вычисления разности температур стенок бараьана до расчета оперативныхтехнико-экономических показателей, включая рсачет КПД котла по рямому и обратному балансу.
Особый класс функций (алгоблоков) позволяет, как из кубиков, собрать необходимую систему регулирования («ПИД-регулятор», «ПИД-корректор», «дифференциатор», «демпфер», и т.п.), которая по сравнению со стандартными решениями на базе аналоговых регуляторов имеет ряд существенных преимуществ, в том числе
· безударное включение регулятора за счет настройки на текущее значение регулируемого параметра;
· автоматическую корректировку параметров настройки в зависимости от нагрузки котла;
· наличие супервизорного режима регулирования;
· диагностику входов регулятора и исправности исполнительного механизма.
7.5.5. Средства операторского интерфейса
Отображение информации осуществляется в виде мнемосхем (разрешение 800х600, режим high color), которые создаются с помощью специального редактора. Статическая (фоновая) часть мнемосхем наряду с традиционными векторными примитивами (line, rectangle, circle и т.п.) содержит элементы трехмерной графики и графические изображения библиотеки пользователя. Поддерживается импорт графики в BMP-формате. «Динамика» мнемосхем включает разнообразные многоцветные числовые, текстовые и графические индикаторы, дианраммы (graph bar), графики (Y=F(X)) и эпюры (Y=F(t)), стационарные и выпадающие табло технологической стгнализации, кнопки управления и т.п.
Время полного вывода мнемосхем от момента запроса информации составляет менее 2 секунд. Период обновления на экране динамических элементов не более 0,5 с.
В системе реализован совершенно новый принцип доступа оператора к информации и средствам управления, который можно сформулировать как «нажми и получи» (Click&Play). Согласно этому принципу, изображение на экране представляется как совокупность элементов, чувствительных к нажатию кнопок манипулятора мышь. Вызвав необходимые окна и разместив их в требуемом порядке (размеры окон можно изменять), оператор может самостоятельно конфигурировать экран для выполнения технологических операций в наиболее удобном для него виде.
Значительные удобства для оператора дает окно «Тренды». Применение специальных алгоритмов автомасштабирования в сочетании с высокой чувствительностью используемых измерительных преобразователей ADAM позволяет оператору отслеживать малейшие тенденции в изменении технологического процесса (температур – до 0,1°С, расходов давлений – до 0,05%) и своевременно принимать адекватные решения. В окне могут одновременно просматриваться до шести произвольно выбранных параметров (1 тренд для 6 параметров или 2 тренда для 3 параметров). Предусмотрены опции «грубо/точно», «быстро/медленно».
Оператору предоставляется также возможность просмотра архивных трендов за любой отрезок времени на глубину до 31 суток.
7.5.6. Некоторые итоги
ИУС Termocnt-2000 находится в эксплуатации и работает достаточно надежно и эффективно. Ее внедрение позволило не только ликвидировать значительное количество устаревших аналоговых приборов, но и повысить качество контроля и управления оборудованием, поднять уровень технологической дисциплины.
Вместе с этой лекцией читают "3. Планирование".
Особо следует отметить эффективность модулей ADAM-4000. Их применение сделало возможным осуществление монтажа системы практически без затрат контрольного кабеля, резко сократив при этом трудоемкость и сроки. При этом пусковые операции производились уже с использованием информации, полученной от системы.
Опыт внедрения и разработки свидетельствует и о других достоинствах этих модулей.
· Высокое качество изготовления и надежность.
· Высокие и стабильные во времени метрологические характеристики.
· Высокая помехозащищенность.
Значительный энтузиазм вызвало сообщение о появление на рынке СНГ модулей серии ADAM-5000, программно совместимых с ADAM-4000 и обладающих скоростным интерфейсом (до 115000 бод) и расширенным числом каналов (до 32 аналоговых или 64 дискретных). Выполненные расчеты показали, что их применение позволит повысить технические характеристики системы и снизить затраты на аппаратные средства на 15-20%.
