SCADA-система автоматизированного управления климатом

В течение последних 20 лет и по настоящее время наблюдается активное внедрение систем автоматизированного управления технологическими процессами, что приводит к уменьшению доли человеческого труда во многих сферах современного производства: машиностроении, перерабатывающей, электротехнической, химической, пищевой, текстильной промышленности, производстве электронных компонентов, производстве лекарственных средств, электроэнергетике. В результате участие человека сводится к контролю и обслуживанию состояния оборудования, контролю качества готового продукта и действий, направленных на устранение сбоев, возникающих в работе оборудования.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами применяются не только в промышленности. Поддержание определенных значений параметров климата, в частности, температуры и влажности, требуется во многих промышленных и общегражданских помещениях, таких как лаборатории, производственные помещения, используемые для выпуска прецизионной продукции, медицинские учреждения, архивы, музейные комнаты, торговые залы и т. д. В настоящее время для организации управления этими параметрами все чаще используются системы диспетчеризации, построенные на основе специализированных программ (SCADA-программ) [1].

Процесс разработки таких систем можно условно разделить на два этапа: разработка аппаратной части и разработка программной части. При этом на этапе разработки аппаратной части решаются задачи разработки схемы вентиляции и кондиционирования, подбора необходимых датчиков и исполнительных механизмов, согласования уровней сигналов и импедансов, разработки электрических схем.

В данной статье основное внимание уделено этапу разработки программной составляющей и архитектуры SCADA-системы автоматизированного управления климатом для промышленного здания (далее - Система).

Реализация данного этапа включает решение задач разработки:

• -    функциональных требований к программе;

• -    мнемосхемы работы автоматики;

• -    программной архитектуры;

• -    человеко-машинного интерфейса;

• -    программного кода.

Опишем архитектуру и процесс функционирования разрабатываемой Системы.

Разрабатываемая Система (см. рис. 1) включает следующее оборудование: персональный компьютер с установленным программным обеспечением, сервер баз данных, маршрутизатор, датчики и исполнительные механизмы [2].

Рис. 1. Структура разрабатываемой SCADA-системы.

На персональном компьютере должно быть установлено разрабатываемое программное обеспечение, в состав которого должен входить сервер баз данных, предназначенный для архивирования и хранения данных, передаваемых с датчиков.

Маршрутизатор организует связь персонального компьютера с контроллером.

Контроллер принимает информацию от датчиков, а также выдает управляющие сигналы исполнительным устройствам. Он должен быть связан с персональным компьютером по интерфейсу RS-485 и на нем должно быть установлено специализированное встроенное программное обеспечение.

Датчики формируют информационные сигналы, включающие информацию о значении измеряемой величины и состоянии оборудования, которые через маршрутизатор поступают в контроллер.

Исполнительные устройства предназначены для оказания воздействия на значения контролируемых параметров и/или состояние управляемого объекта в целом. По своему назначению исполнительные устройства могут быть как регулирующие, так и защитные.

Информация от удаленных объектов по каналам связи поступает на управляющий компьютер, который [3]:

• -    интерпретирует все данные, поступающие от датчиков;

• -    принимает решения в соответствии с алгоритмом работы программы;

• -    посылает управляющие сигналы исполнительным устройствам;

• -    обменивается информацией с человеком-оператором и реагирует на его команды.

Проектируемое программное обеспечение должно выполнять следующие функции:

• -    динамическая визуализация состояния контролируемых объектов и процессов;

• -    мониторинг и управление контролируемыми параметрами помещений;

• -    дистанционный контроль данных;

• -    авторизованный доступ и управление пользователями;

• -    регистрация и управление событиями;

• -    отслеживание состояния исполнительных механизмов и аварийных ситуаций;

• -    создание отчетов об авариях и неисправностях;

• -    подтверждение, блокировка и разблокировка аварийных сообщений;

• -    построение графиков изменения контролируемых параметров в реальном времени;

• -    управление хранением и архивированием данных;

• -    визуальное и звуковое сопровождение аварийных сообщений;

• -    поддержка многооконного интерфейса, всплывающих подсказок;

• -    взаимодействие с системой управления базами данных;

• -    сетевая коммуникация, реализованная по технологии «клиент-сервер»;

• -    поддержка автоматического перехода на зимнее и летнее время.

На рисунке 2 представлена мнемосхема работы автоматики, обеспечивающей контроль параметров воздуха, который поступает из окружающей среды. На данной схеме представлены основные контролируемые параметры, к которым относятся: температуры теплоносителя, наружного воздуха, воздуха на выходе водяного калорифера, а также положение заслонок и жалюзи (открыто/закрыто), состояния вентиляторов (включено/выключено) и водяных насосов (включено/выключено) [4].

Рис. 2. Мнемосхема включения автоматики.

Опишем функционирование разрабатываемой Системы. Все помещения должны быть оборудованы датчиками – измерителями контролируемых параметров. Для каждого помещения устанавливаются требуемые значения контролируемых параметров, а именно: температуры, влажности, класса чистоты воздуха, которые должны поддерживаться. Данные, формируемые датчиками, передаются по линии связи на персональный компьютер. Программа сравнивает фактические значения контролируемых параметров, полученные от датчиков, с их требуемыми значениями и формирует соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Например, в зависимости от того, является ли измеренное значение температуры в помещении больше или меньше требуемого, система увеличивает производительность кондиционера или калорифера соответственно. Система позволяет оператору дистанционно управлять исполнительными устройствами, отраженными на мнемосхеме. В частности, он может изменять значения параметров исполнительных устройств, оказывающих влияние на контролируемые параметры помещения, например, путем изменения температуры теплоносителя, производительности кондиционера, парогенератора и т. д., а также изменять состояние данных устройств («включено/выключено»). Программа в режиме реального времени должна отображать на экране оператора графики изменения заданного и фактического значения температуры в каждом контролируемом помещении. Программа генерирует цифровые сигналы, которые поступают на контроллер, а тот, в свою очередь, выдает сигналы на исполнительные устройства. Кроме того, при возникновении аварийной ситуации программа должна выдавать оператору сообщение о месте обнаружения аварийной ситуации для облегчения процесса принятия решения и выполнения действий по ее устранению. Также Система должна вести журнал событий и сохранять накопленные данные в специализированной СУБД [5].