Обмен информацией в промышленной сети PlcNet

В настоящее время наблюдается качественный скачок в развитии систем управления технологическим оборудованием и технологическими процессами. Системы управления стали децентрализованными, распределенными. Таким образом, в настоящее время можно говорить о распределенных системах управления.

Промышленные сети представляют собой физическую среду, на базе которой реализуются РСУ. На нижнем уровне этой структуры находятся контроллеры – устройства, осуществляющие непосредственное управление технологическими процессами в реальном времени. Контроллер должен решать задачу управления быстро, в темпе протекания технологического процесса.

На верхнем уровне РСУ расположены рабочие станции,позволяющие выполнять задачи:

• -    сбор данных о параметрах технологического процесса, их обработка и архивирование принятой информации;

• -    визуализация информации о ходе технологического процесса, сигнализация о предаварийных и аварийных ситуациях;

• -    формирование сводок,журналов, отчетов и т.д.;

• -    формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режимов работы контроллеров;

• -    автоматическое управление ходом технологического процесса (только в ряде случаев и для решения задач невысокого быстродействия).

Рабочие станции верхнего уровня представляют собой автоматизированные рабочие места (АРМ) производственного персонала, обслуживающего технологический процесс: операторы, технологи, наладчики, диспетчеры и т.д. Верхний уровень РСУ называют диспетчерским, или операторским уровнем. Диспетчерский уровень представлен персональными компьютерами (ПК),рабочими станциями, промышленными компьютерами и т.д.

Контроллеры, решая задачу непосредственного управления технологическим оборудованием, принимают сигналы с датчиков и выдают управляющие сигналы на исполнительные механизмы. Одновременно с этим они решают еще одну важную задачу – передают информацию о состоянии технологического процесса на компьютеры верхнего диспетчерского уровня. В ряде случаев контроллеры могут обмениваться данными и между собой. Промышленная сеть и есть та физическая среда, по которой происходит обмен информацией между активными компонентами (узлами) РСУ.

Каждыйтехнологический параметр представлен в сети в виде некоторой переменной – тега, который характеризуется величиной, качеством передачи (приема) по сети, типом и т.д.

Выделение в РСУ двух уровней позволяет говорить о программном обеспечении (ПО) для верхнего и длянижнегоуровня. Нанижнем уровнешироко используются специализированные языки программирования по стандарту IEC 61131-3. К таким языкам, принадлежащим к группе языков Functional Block Diagrams (FBD) – функциональных блоковых диаграмм, относится язык, входящий в систему программирования контроллеров UltraLogik. Этот язык позволяет легко выполнить проектирование управляющих программ высокой степени сложнос-ти.Какие бы алгоритмы ни реализовала управляющая программа контроллера,важно, чтобы она еще передавала определенную нужную информацию в сеть. В UltraLogik это делается просто.Достаточно той или иной переменной (параметр технологичес- кого процесса, состояние того или иного датчика, управляющий сигнал и т.д.) присвоить статус «сетевая», как она гарантированно будет периодически передаваться контроллером в сеть.

ПО верхнего уровня реализуется в виде SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления). Задачи, которые выполняют SCADA-системы, были обозначены выше, но центральной является задача по приему тегов из сети. Для этих целей используются специальные приложения (программы), называемые OPC-серверами. OPC-сервер считывает значения тегов из сети и передает их приложению – клиенту. SCADA-системы являются клиентами OPC-серверов [1].

Высокая стоимость существующих SCADA-систем, отсутствие качественной технической документации, избыточность, за которую приходится платить пользователю, делают процесс внедрения SCADA-систем в производство весьма непростым делом. Однако проектирование SCADA-систем можно выполнить с помощью таких программных средств,как Delphi,Visual C++, VBA. Они имеют в своем составе все необходимые средства для работы с OPC-серверами, графикой, мультипликацией, базами данных и т.д.

Рис. 1. Многоуровневая модель современной РСУ

Многоуровневая модель современной РСУ приведена на рис. 1. Ей можно поставить в соответствие модель сетевого обслуживания диспетчерского и контроллерного уровней РСУ (рис. 2).

Контроллерный уровень обслуживается одной из промышленных сетей на основе протоколов CAN, PLCNET,PROFIBUS и других.Верхний,дис-петчерский уровень, как правило, обслуживается локальной сетью на основе протоколов Ethernet, TokenRing,ARCNet и других.

Один или несколько ПК в такой модели должны выполнять роль шлюза, то есть обеспечивать передачу информации из сети одного типа в сеть другого типа.

На рис. 3 приведена еще более подробная реализация РСУ.

Рис. 2. Модель сетевого обслуживания диспетчерского и контроллерного уровней РСУ

Сеть Ethernet

Рис. 3. РСУ на основе промышленной сети PlcNet

Нижний, контроллерный уровень объединяет Nконтроллеров с помощью промышленной сети PlcNet.Верхний диспетчерский уровень объединяет ряд ПК с помощью сети Ethernet.Среди этих ПК один должен выполнять роль мастера (Master)для сети PlcNet,то есть он должен иметь возможность принимать теги из сети PlcNet от контроллеров.

Для сети типа PlcNet в качестве контроллеров можно использовать PC-base контроллеры ADAM-5510. Сеть PlcNet организована на базе интерфейса RS-485 и реализуется в виде сегментов.Каждый из сегментов связан с одним из COM-портов ПК-мас- тера.Для преобразования сигналов интерфейса RS232 в сигналы интерфейса RS–485 используется преобразователь интерфейсов ADAM-4520.

Максимальное количество контроллеров, подключенных к одному сегменту сети, равно 32.ПК-мастер принимает информацию с контроллеров по сети PlcNet и затем может ее передавать по сети Ethernet удаленным ПК,образующим диспетчерский уровень.

На рис.4 показано взаимодействие программного обеспечения компьютеров диспетчерского уровня в части передачи информации,поступившей от контроллера в ПК-мастер по сети PlcNet.

Рис. 4. Взаимодействие программного обеспечения компьютеров диспетчерского уровня

Прием этой информации из сети выполняется с помощью специальной программы OPC-сервера.

SCADA-система, расположенная на ПК-мастере, взаимодействует с OPC-сервером напрямую. SCADA-системы, расположенные на других удаленных ПК сети Ethernet, получают информацию из OPC-сервера через другую программу (TCP/IP-сер-вер), которая должна располагаться на ПК-мастере. Для сети PlcNet широко используется OPC-сервер фирмы Fastwel-Fastwel PLCNet OPC Server. Этот сервер позволяет не только читать информацию из контроллеров, но и передавать ее в обратном направлении – из SCADA-системы в контроллеры РСУ.

Рассмотрим более подробно процесс приема информации из контроллеров РСУ в SCADA-систему ПК-мастера. Для этого SCADA-систему реализуем в виде просмотрщика тегов – переменных сети PlcNet [2]. Внешний вид рабочего окна просмотр-щика тегов показан на рис. 5.

Алгоритм работы просмотрщика тегов приведен на рис 6.На рис.7 приведен алгоритм функции GetItemType,которая возвращает тип тега по его значению ItemValue.

Рис. 5. Окно просмотрщика тегов

Рис. 6. Алгоритм работы просмотрщика тегов

Важным обстоятельством при работе всего просмотрщика тегов является то, что вся информация, которую выдает OPC-сервер, представлена в строковом формате string. Функция GetItemType используется в процедуре TMainForm.Timer1Timer.

Рис. 7. Алгоритм функции GetItemType (начало)

Рис. 7. Алгоритм функции GetItemType (окончание)

Сначала (блок 2) типу тега присваивается значение Timer – функция формулирует результат в виде строки. Затем (блок 3) анализируется значение ItemValue на равенство True или False. Эти два значения может принимать только переменная или константа типа Boolean. При выполнении одного из этих условий, типу тега присваивается значение Boolean.

Если тег не имеет тип Boolean, то начинается посимвольная проверка ItemValue (блоки 5-8). Если в результате этой проверки оказывается, что i-ый символ принимает значение «.» или «,», то типу тега сразу присваивается значение Float – действительное число (блок 9). Точка или запятая являются обязательными разделителями в действительных числах.

Если точка или запятая в значении ItemValue отсутствуют, то начинается его проверка на тип Integer – целое число (блоки 11-17). Признаком целого числа является наличие в нем лишь цифр от 0 до 9 и знаков «+» или «–». Естественно, что все эти знаки представлены символами в строковом выражении.

Рис. 8. Алгоритм процедуры TMainForm. Timer1Timer

В данном фрагменте алгоритма: i – номер символа в строке, s – число искомых символов в строке. Если в результате поиска оказалось, что все символы в строке относятся к цифрам или к знакам «+» или «–», то делается вывод, что тег имеет тип Integer (блок 18).

Процедура TMainForm.Timer1Timer является основной в приложении-просмотрщике тегов. Алгоритм процедуры приведен на рис. 8.

Чтение тегов здесь выполняется циклически. Послечтенияi-готегаизOPC-серверасразувыпол-няется проверка на правильность его чтения, что выполняется с помощью функции Succeded(HR) (блок 4). Если тег прочитался неправильно, то в соответствующее окно формы выводится сообщение «Ошибка чтения» (блок 5).

Далее проверяется (блок 6), равен ли тег значению False (тип Boolean). Если он имеет значение False, то подготавливается вывод его значения красным цветом (блок 7). Затем (блок 8) тип тега проверяется на Float –действительное число. Для проверки используется функция GetItemType. Если тег имеет тип Float, то его значение выводится (блок 9) в соответствующее окно в формате fffixed, 15, 7. Если тег не относится к типу Float, то его значение выводится в соответствующее окно (блок 10).

Блоки 1; 11 и 13 предназначены для организации циклического вывода значений тегов в соответствующие окна формы просмотрщика тегов. Здесь параметр i = 1 … 32 – номер тега.

Процедура TMainForm.FormClose содержит всего один оператор Server: = nil, что приводит к выключению OPC-сервера.

Выводы

• 1.    Показано, что проблема передачи информации из промышленной сети PlcNet на диспетчерский уровень РСУ может быть решена путем использования клиент-серверной архитектуры. В качестве OPC-клиента выступает SCADA-система, а в качестве OPC-сервера может быть использован Fastwel PLCNet OPC Server.

• 2.    С использованием среды визуального программирования Delphi разработана SCADA-система, реализованная в виде просмотрщика тегов типов Boolean, Float, Integer, Timer.

• 3.    Рассмотрены механизмы взаимодействия SCADA-системы и OPC-сервера: запуск OPC-сервера, добавление в него имени сегмента и имен тегов, определение типа тегов и вывода значения тегов в окна на форме просмотрщика тегов. Приведены алгоритмы соответствующих процедур и функций.