Представление современных сетевых технологий АСУ ТП в учебном процессе

В Мордовском государственном университете им. Н. П. Огарева на кафедре электроники и наноэлектроники уже несколько лет функционирует учебная лаборатория «Современные технологии промышленной автоматизации». Во время занятий в лаборатории учащиеся знакомятся с базовыми компонентами современной автоматики – свободно программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), модулями ввода-вывода, преобразователями частоты вращения двигателей и операторными панелями, с их аппаратными ресурсами, с возможностями их конфигурирования и программирования. Изучение этих вопросов ведется на примерах аппаратных и программных продуктов компании ОВЕН, которая на рынке выпуска средств автоматизации занимает в России ведущее положение. Разработаны и реализованы учебные стенды для изучения универсальных моноблочных контроллеров серий ПЛК-100/150/110, релейных контроллеров ПР110/114/200, операторных панелей ИП320, СП307/310, модулей ввода-вывода Мх110, выпущено соответствующее методическое обеспечение. Все это позволило лаборатории стать еще и Региональным учебным центром компании ОВЕН и вести курсы повышения квалификации для работников предприятий.

Одной из основных тенденций создания систем автоматизации на современных предприятиях является их комплексность. Сегодня для эффективного ведения бизнес-процесса они должны охватывать горизонтальными и вертикальными связями все его звенья. Это требует подготовки специалистов, которые могут создавать не только системы управления низового уровня (отдельных станков, линий, конвейеров), но и уровня диспетчеризации, мониторинга на уровне производственного участка, цеха и шире. Таким образом, перед учебной лабораторией была поставлена задача разработки соответствующего лабораторного комплекса. Представим круг вопросов, поднимаемых в лаборатории при изучении современных сетевых технологий в промышленности, и подходы к их рассмотрению.

Первое и самое главное, на что обращается внимание при рассмотрении современных системы автоматизации – это то, что они не просто охватывают все уровни производства, а все чаще часть компонентов этих систем выходит за границы локальной сети и переходит на уровень глобальной. То, с чем приходилось, в первую очередь, при этом сталкиваться – высокая стоимость каналов связи, если они создавались для этого специально. Выход был очевиден и прост, он диктовался логикой развития всего информационного мира – в этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение интернета.

Безусловно, интернет-технологии не рассчитаны на передачу больших объемов данных и быстрое их обновление, но эти недостатки скрадываются там, где данные технологии интегрируются в системы АСУ ТП для контроля лишь основных показателей процесса, а не попытки полного охвата всей информации, предоставляемой системой. Тогда всемирная паутина может явиться идеальным решением организации обмена с удаленными объектами, обеспечения своевременной связи (в том числе мобильной) с руководителем предприятия, инженером-технологом или оператором системы.

Таким образом, у контроллеров, являющихся базовыми элементами построения низовых уровней автоматизации, появление веб-интерфейса было абсолютно естественным шагом. Сначала, как минимум, это позволяло через него производить настройки с локального или удаленного компьютера, получать с него информацию устройствам более высокого уровня. Задачи уровня верхнего управления, как правило, решаются с помощью SCADA-систем (Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных), а нижнего – с помощью контролеров. SCADA-система устанавливается на компьютер и выступает в такой системе сервером, контроллеры – клиентами. Разнесенные пространственно они обмениваются информацией по каналам связи. Хотя SCADA-системы зачастую позволяют реализовать сложный логический анализ и массу вычислений, обычно основные алгоритмы управления реализуются все же в контроллере. Пока в сложной многоконтроллерной распределенной системе управления это позволяет добиться в целом большей надежности и стабильности. При таком распределении функций между SCADA-системой и контролером, обмен между ними сводится к передаче ограниченного объема команд и данных без жестких требований по скорости доставки. И налицо возможности использования для связи между элементами распределенной системы интернет-каналов.

Следующим шагом развития веб-интерфейса в ПЛК стало появление в них вебсервера. Сервер осуществляет формирование необходимых HTML-страниц и связывает их с данными, поступающими в контроллер с объекта. В зависимости от возможностей конкретного контроллера и поставленной задачи может быть реализована визуализация процесса, мониторинг и управление системой, архивирование информации, обработка аварийных сигналов и.т.п. Существенным преимуществом применения этой технологии является возможность использования на компьютере диспетчера (руководителя, специалиста) любого веб-браузера, в том числе установленного на мобильном устройстве.

Использование веб-сервера безусловно предполагает создание соответствующего программного обеспечения в рамках которого будет осуществляться формирование интернет-страниц, связывание переменных программы с элементами визуализации и управления, реализация алгоритмов обработки, архивирование данных, составление отчетов и пр. Безусловно, это задача, требующая специальных знаний – как минимум умения программировать на языке HTML (XML), работать с java/svg скриптами и пр. Для широкого внедрения технологии использования встроенного веб-сервера обязательно должны были появиться подходы, максимально упрощающие реализацию такого программного обеспечения. В некоторых пакетах для программирования ПЛК есть возможности создания визуализаций – экранных форм (страниц) для иллюстрации на экране компьютера-программатора или на панели контроллера работы прикладной программы управления. Если в программируемые контроллеры заложена возможность работы с веб-сервером, то пакет может брать на себя и функции описания объектов визуализации проекта в формате HTML (XML) и загрузки их в контроллер. Программа реализации веб-сервера обрабатывает данные контроллера и в формате HTML (XML) создает постоянно обновляемую визуализацию. Таким образом она может отображаться в веб-браузере на любом подключенном через интернет компьютере независимо от платформы.

Такой подход к созданию веб-визуализаций, в частности, заложен в пакет CoDeSys, используемый в лаборатории при изучении языков программирования ПЛК и работы с ними. Как указывалось выше, прежде всего, это контроллеры компании ОВЕН. К сожалению, функционал не всех контроллеров этой компании позволяет работать с созданными с использованием такого подхода веб-визуализациями (по крайней мере тех контроллеров, которые позиционируются производителем как устройства, ориентированные на построение систем управления простыми объектами).

При изучении SCADA-систем в учебной лаборатории используется пакет Master-SCADA. Как и другие SCADA-пакеты последнего поколения, он, кроме традиционных функций по созданию систем сбора данных и диспетчеризации, выполняет также функции программирования ПЛК и создания веб-визуализаций. Рисунок 1 иллюстрирует создание экрана визуализации в пакете Master-SCADA и отображение созданного экрана визуализации в браузере.

Рис. 1. Создание экрана визуализации в пакете Master-SCADA и его отображение в браузере.

Для удаленного управления в АСУ ТП часто достаточно иметь на сервере всего одну-две несложные веб-страницы. В свое время мы привыкли, что веб-серверы для интернета обычно располагаются на мощных компьютерах и содержат жесткие диски большой емкости. Здесь, конечно, речи об этом не ведется. В данном случае это программные средства ограниченного объема, работающие с относительно небольшими массивами данных. С любой точки зрения тут лучше подойдет использование термина микро веб-сервер (встраиваемый веб-сервер, Embedded Web-Server), особенно если его 4

задачи реализуются отдельной БИС, располагаемой на печатной плате ПЛК. Появление таких специализированных БИС, например дешевых однокристальных микроконтроллеров со встроенной реализацией протокола TCP/IP, позволило начать встраивать веб-серверы фактически везде: внутри датчика, в холодильнике, в кондиционере, в офисном оборудовании и пр. Технологию применения микро веб-серверов называют «встроенным интернетом» (Embedded Internet). Распространение этого явления привело к появлению понятия «интернет вещей» (Internet of Things, IoT).

Термин «интернет вещей» распространяется и на промышленные объекты. Развитие распределенной сетевой инфраструктуры в АСУ ТП привело к появлению «Industrial Internet of Things» (IIoT, индустриальный или промышленный интернет вещей). Это система объединенных компьютерных сетей и подключенных промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме без участия человека.

Данные, которые раньше были не доступны и соответственно не использовались, с распространением встроенных интернет-устройств могут являться ценной дополнительной информацией о характере использования продукта и оборудования для всех участников производственного цикла. Получение таких данных предполагает появление их огромных массивов, необходимость их хранения и, как само собой разумеющееся, их обработку. Даже крупные предприятия сталкиваются с проблемой хранения и обработки «больших» данных, поэтому обязательно должны были появиться технологии решения этих проблем не только для крупных, но и для малых предприятий. Неслучайно практически одновременно с концепцией «интернет вещей» появилось понятие «облачные технологии» или «облачные вычисления».

Наиболее простым образом облачные вычисления определяют как технологию распределенной обработки данных, в которой компьютерные ресурсы и мощности предоставляются пользователю как интернет-сервисы. Используя этот подход, компания в «облаке» может исполнять весь необходимый функционал АСУ (программные алгоритмы обработки данных и управления) как низовых систем, так и систем управления уровня предприятия и выше. Другими словами, «облако» одновременно выполняет функции универсального средства интеграции ресурсов и функции исполнения сколь угодно сложных разнообразных алгоритмов.

Использование облачных технологий в лаборатории учащимся иллюстрируется на примере облачного сервиса OwenCloud, предоставляемого компанией ОВЕН. Данный облачный сервис применяется для удаленного мониторинга, управления и хранения архивов данных приборов, используемых в системах автоматизации.

Сервис предоставляет пользователям возможность сбора данных с подключенных устройств, хранение считанных данных, отображение данных в виде графиков и таблиц, отображение устройств на карте, удаленное управление устройствами, аварийные уведомления по электронной почте и через Telegram, интеграция со SCADA-системами с помощью бесплатного ОВЕН OPC-сервера, открытый API для интеграции с другим ПО. Пользователь осуществляет доступ к сервису с помощью web-интерфейса или мобильного приложения. Web-версия сервиса доступна по адресу:

Для работы с сервисом OwenCloud нужна учетная запись – профиль, зарегистрированный в сервисе и ассоциированный с компанией или конкретным клиентом. При регистрации учетной записи автоматически создается главный пользователь, который может добавлять других пользователей и настраивать их права. Таким образом, у нескольких пользователей может быть доступ к одной учетной записи с разными наборами привилегий.

Для использования в облаке конкретного прибора (контроллера) его необходимо зарегистрировать. При этом для прибора генерируется идентификационный код, так называемый токен (CloudToken). При добавлении прибора в сервис для каждого типа задается индивидуальный период опроса. Окно регистрации прибора показано на рисунке 2.

iCloud

ft В начало Q Аварии о Я Приборы на карте

Лаборатория Мрсу м ₽

Приборы

Шаблоны

Пользователи

Профиль компании

Общие

Текущий идентификатор

Тип прибора

Н овый. И Д е НТИ ф.ИКа то р

Токен авторизации для ПЛК

Заводской номер

Название прибора*

Категории

Часовой пояс*

Управление прибором: ОВЕН ПЛК 110                                          fi

События Параметры

Общие настройки Настройки расположения на карте

Введите какое-либо из следующих значений: заводской номер прибора.

ZY1YZY0M                                  Сгенерировать новый

ОВЕН ПЛК 110

plc110

GMT+3:00                    ’

Время на странице прибора будет смещаться в зависимости от часового пояса.

Рис. 2. Регистрация прибора в облаке OwenCloud.

Приборы подключаются к сервису с помощью сетевого шлюза или через Ethernet по одному из поддерживаемых протоколов обмена. В лаборатории, как уже указывалось выше, используются контроллеры компании ОВЕН, которые программируются в пакете CoDeSys. Работа с контроллером в пакете начинается с конфигурирования, в рамках которой в том числе определяются сетевые протоколы. При конфигурировании канала работы в облаке в качестве интерфейса указывается, что работа будет вестись через облако (Cloud), а в параметрах интерфейса указывается полученный при регистрации данного прибора CloudToken (см. рис. 3).

I 1.......|Cloud[VAR].........

□.......2 byte[VAR]

!    1.........kolvocl AT %Q ф.......2 byte[VAR]

Й......2 byte[VAR]

=.........podschcl AT $

Базовые параметры Параметры модуля

Имя Name CloudT oken

| Значение

Cloud connection

ZY1YZV0M

| По умолч.

Cloud connection 0123456789abcdef

Макс.

5        SSLKeyFileName

6          Visibility            No

3 No

Рис. 3. Конфигурация канала для работы в OwenCloud.

Созданная для контроллера конфигурация экспортируется и загружается на сервис. После чего появляется возможность наблюдать текущие значения переменных (параметров управляемого процесса) в виде таблицы (рис. 4) или графика, записывать новые значения параметров.

Рис. 4. Отображение текущих значений переменных в облачном сервисе.

Данные из OwenCloud могут передаваться в удаленную систему сбора и диспетчеризации, реализованную с помощью того или иного SCADA-пакета на любом компьютере, подключенном к интернету. Подключение SCADA-проекта к сервису OwenCloud осуществляется через ОРС-сервер ОВЕН. Для подключения к облаку в ОРС-сервере необходимо создать новый узел с протоколом обмена OwenCloud. При добавлении в узел устройства сервер потребует авторизации в облаке, а после этого предложит перечень Ваших приборов, зарегистрированных в сервисе, и параметров, доступных при работе с этим прибором.

Таким образом, учащиеся в лаборатории последовательно знакомятся с практикой применения новых информационных технологий при создании промышленных систем автоматизации. Можно надеяться, что полученные ими знания будут широко применяться на практике.