7.3Scada-системаSimaticWinCc("Siemens", Германия)
Основу WinCC составляет базовая система, поддерживающая основные интерфейсы SCADA-систем,- ОРС, ActiveX, ODBC, SQL и др.
В состав базовой системы входят следующие компоненты: Control Center, Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, User Archiv, Report Designer, Global Scripts, User Administration.
Control Centerвыполняет следующие функции:
Обзор данных проекта и глобальных установок системы;
Запуск среды разработки или исполнения; формирование общей базы данных переменных и сообщений с контроллеров Simatic; осуществление коммуникаций с контроллерами;
Конфигурацию многопользовательской клиент-серверной сетевой системы.
Graphics Designer используется для создания мнемосхем и динамических графических элементов с использованием:
Стандартных объектов (текстов, линий, прямоугольников, кругов, статической графики и пр.);
Пользовательских объектов управления, ActiveX объектов;
Режима On-line, поддержки OLE Automation.
Alarm Loggingприменяется для сбора и архивации событий в системе. Поступающие сообщения отображаются, а также могут генерировать звуковые сигналы тревоги. Сообщения могут подтверждаться оператором (квитироваться) в зависимости от степени важности.
Tag Loggingиспользуется для архивирования измеряемых величин. Архивация производится по выбору или в базу данных Sybase Anywhere, или в DBASE формат. Данные из архива отображаются в виде кривых или таблиц. Возможно формирование данных для статистической оценки работы системы, а также импорт и экспорт архивов на внешний носитель.
User Archivслужит для хранения пользовательских данных в форме записей со свободно–параметрируемой структурой, определяемой пользователем. Доступ к базам данных осуществляется как через ODBC и SQL, так и черезWinCCAPI.
Report Designerслужит для генерации отчетов в свободно-программируемом формате, управляемых событиями или по времени. Генерируются протоколы поступающих сообщений, измеряемых величин и архивов, протоколы пользовательских отчетов, распечатки списков переменных и т.д.
Global Scriptsслужит для программирования действий, производимых с объектами, а также программ, выполняющихся в фоновом режиме. Функции, написанные пользователем на языке ANSI-C, могут считывать и устанавливать значения переменных, вызывать на экран новые изображения, генерировать сообщения об ошибках, генерировать протоколы, подключать динамические библиотеки (DLL) и пр.
User Administrationслужит для управления правами доступа пользователей в системе.
Ко всем перечисленным модулям WinCC имеет API интерфейс. Система поддерживается ОС Windows NT SP6 или Windows 2000 SP2 (системная шина PCI).
7.4Scada-системы, встраиваемые в плк
Встраивание (портирование) SCADA-системы в PC-совместимые контроллеры имеет ряд преимуществ, особенно для управления удаленными объектами. К ним относятся удобство программирования контроллеров по стандарту IEC 61131-3, визуализация процесса с формированием трендов и алармов, составление отчетов и архивов и др. Обмен данными между контроллерами и удаленными клиентами может осуществляться через коммутируемые телефонные сети, на основе GSM-связи или через Internet.
В качестве примера портируемых в контроллер SCADA-систем рассмотрим SCADA-систему Trace Mode фирмы AdAstra. В 1995 г. в SCADA-систему Trace Mode 4.20 были введены функции программирования контроллеров и впервые выпущена специальная исполнительная система Микро МРВ Trace Mode, ориентированная на программирование контроллеров (МРВ – монитор реального времени).
Микро МРВ Trace Mode размещается во Flash-памяти PC-контроллера и осуществляет сбор и обработку данных, программно-логическое управление технологическим процессом, регулирование параметров по различным законам (ПИ, ПИД, ПДД, ШИМ, позиционный и нечеткий регуляторы и др.). Редактор Микро Trace Mode содержит библиотеку из 150 алгоритмов обработки информации и регулирования, использует технологию автопостроения проекта. Также Микро МРВ Trace Mode формирует локальные архивы.
Микро МРВ – это система, основанная на ядре реального времени Trace Mode. Время обработки контура регулирования в Микро МРВ составляет 70 мкс. Микро МРВ Trace Mode имеет встроенную поддержку контроллеров и плат УСО (МФК, 1-7000 и др.), автоматически контролирует их работоспособность, а также имеет мощные функции резервирования сетевых комплексов на базе последовательного интерфейса, полевых шин Profibus, CANBus, BitBus и др., а также локальных сетей Ethernet, Arcnet, Token Ring. В Микро МРВ поддерживается процедура горячего рестарта (поддержка watchdog таймера) и режим периодического сохранения состояния для безударного рестарта в случае зависания системы. Все данные с контроллера принимаются SCADA-системой операторской станции по коммутируемым телефонным сетям (версия Micro Trace Mode 5 Modem+) или по сотовой связи по стандарту GSM (версия Micro Trace Mode 5 GSM+).
Обмен данными через прямые модемные соединения осуществляются по протоколу M-LINK. Micro Trace Mode 5 Modem+ представляет собой специальный исполнительный модуль для сбора данных и управления удаленными объектами через коммутируемую телефонную сеть. Micro Trace Mode 5 Modem+ в PC-контроллерах собирает данные и передает их по телефону в виде SMS-сообщений (Short Message Service) в МРВ Trace Mode, находящуюся в операторской станции верхнего уровня системы. Доставка каждого сообщения контролируется. Число удаленных контроллеров не ограничено.
МРВ Trace Mode – это мощный сервер реального времени модульной структуры с числом каналов 128/1024/32000x16/64000x16. Для МРВ существуют встроенные драйверы к более чем 100 контроллерам и УСО. Минимальное время реакции МРВ составляет не более 1 мс.
Micro Trace Mode 5 GSM+ предназначен для программирования контроллеров с целью обмена данными по сети GSM. Программа содержит полную инструментальную систему и исполнительные модули с поддержкой обмена через GSM/SMS.
Из контроллеров, в которых установлена SCADA-система Trace Mode, отметим:
Контроллер "Лагуна 3140" (Lagoon 3140) компании ICOS со встроенным МРВ и OEM-версией интегрированной SCADA- и SoftLogic-системы Trace Mode 5.
Контроллер "Ломиконт" с системой Trace Mode, "Ломиконт ТМ" Чебоксарского завода ОАО "Электроприбор".
Контроллер "Теконик" АО "Текон" со SCADA-системой Trace Mode 5.07. Благодаря Микро МРВ Trace Mode контроллер может передавать через GSM-модем данные РВ и тревожные сообщения на серверы РВ Trace Mode в виде SMS-сообщений или напрямую, а также принимать и исполнять управляющие команды. ПО контроллера соответствует стандарту IEC 61131-3, содержит библиотеку из более чем 150 алгоритмов управления, а также встроенный отладчик (системное ПО, исполнительный модуль и прикладное ПО размещаются во Flash-памяти процессорного модуля контроллера и загружаются в ОЗУ контроллера при его включении).
Модули серии 1-7000, ADAM и Микро PC, MIC 2000 компании Advantech, контроллеры КРУИЗ, TREI и др.
Рассматриваются возможности портирования в контроллеры и др. SCADA-систем, например MasterSCADA.
8 ОРС-стандарт взаимодействия SCADA-систем и ПЛК
Стандарт ОРС (OLE for Process Control) – это стандарт взаимодействия между программными компонентами системы сбора данных и управления, основанный на объектной модели COM/DCOM фирмы Microsoft [13].
Стандарт ОРС приходит на смену DDE-обмена (Dynamic Date Exchange) динамического обмена данными. COM (Component Object Model) – модель многокомпонентных объектов, позволяющая приложению вызывать те или иные функции объекта, находящегося в адресном пространстве приложения. Если объект распределен по сети или находится в другой программе того же компьютера, то мы имеем распределенный COM (Distributed COM) или DCOM. Таким образом, DCOM является по сути сетевым расширением СОМ.
ОРС–технология создана консорциумом ОРС Foundation, куда входят более 170 ведущих производителей аппаратно-программных средств промышленной автоматизации. Среди этих фирм – Siemens, Fisher-Rosemount, Honeywell, Rockwell, Iconics и др. Деятельность ОРС Foundation осуществляется в рабочих группах по направлениям (ОРС Date Access Working Group, ОРС Alarm and Events Working Group, OPC Historical Working Group, OPC Security Working Group, OPC Windows CE Working Group и др.).
ОРС– взаимодействие основано на архитектуре клиент-сервер. В качестве ОРС-клиента выступает, например, SCADA, а в качестве ОРС-сервера – контроллеры, УСО и пр. Основные производители SCADA-систем поддерживают технологию ОРС. Это SCADA-системы Genesis32 (фирма Iconics), FIX Dynamics (фирма Intellution), InTouch (фирма Wonderware) и др. При этом все компоненты SCADA-систем могут взаимодействовать между собой через ОРС, выполняя функции в зависимости от задачи либо сервера, либо клиента.
ОРС-серверы разрабатываются и поставляются производителями контроллеров и др. аппаратуры или поставщиками SCADA-систем. Стандарт ОРС включает 3 основных спецификации [13]:
Доступ к данным реального времени (Data Access) или стандарт DA.
Обработка тревог и событий (Alarm&Events) или стандарт А&Е.
Доступ к историческим данным (Historical Data Access) или стандарт HDA.
ОРС-серверы физических устройств (контроллеров) являются, как правило, серверами данных (Data Access Servers).
Сервер тревог по состоянию тега, полученного от сервера данных, оповещает клиентов, посылая сигнал тревоги, и получает от клиентов подтверждение полученного сигнала.
Серверы исторических данных также используют данные, получаемые в реальном времени от сервера данных, и архивируют их, предоставляя затем эти данные др. приложениям для построения, например,трендов, гистограмм или таблиц.
Помимо этих основных спецификаций стандарта ОРС существуют и ряд других спецификаций. Так, отдельный класс ОРС-серверов представляют специализированные ОРС-серверы конкретных аппаратных устройств [8].
Рассмотрим работу ОРС-сервера в клиент-серверной архитектуре.
При использовании COM/DCOM технологии реализуется информационный обмен между СОМ-объектами. Вызов любой функции объекта осуществляется через СОМ-интерфейс, представляющий определенную структуру памяти, содержащую массив указателей на все функции интерфейса. Этот вызов реализуется через агента-посредника, так называемого Proxy/Stab DLL, представляющего функции объекта. Модуль Proxy ("заместитель") принадлежит клиенту, а модуль Stab (заглушка) расположен в сервере. Proxy реагирует на запрос клиента, кодируя и пакетируя параметры функции, после чего передает их по каналу серверу. На стороне сервера модуль Stab распаковывает вызов клиента и передает его серверу, заставляя реальный объект выполнить заданную функцию. Результат выполнения функции возвращается обратно приложению-клиенту. Этот процесс получил название "маршалинг" (marshaling-транспортировка). На рис. 3.14 представлена последовательность действий при клиент-серверной передаче данных (цифрами показана временная последовательность передачи данных).
Рис. 3.15
Основной спецификацией ОРС является спецификация Data Access (DA). Базовым понятием спецификации является элемент данных (OPCItem-объект), т.е. фактически один из параметров технологического процесса, имеющий значение (Data Value), время последнего обновления (Time Stamp) и признак качества (достоверности) значения (Quality).
Следующим вверх по иерархии является понятие группы элементов (OPCGroup-объект). Создается ОРС-сервером по требованию клиента, который задает частоту обновления данных этой группы. Для каждого клиента сервером создается своя группа. Элементы в группе имеют имена, являющиеся по сути именами реальных переменных (тегов). Имена тегов клиентом запрашиваются по специальному интерфейсу IOPCBrowseServerAdressSpace.
На верхней ступени иерархии находится сам OPCServer-объект. Для подключения ОРС-сервера к реальному объекту OPCItem-объекты содержат ссылки на созданные ОРС-сервером теги. Пример полного имени тега: Контроллер_1. Модуль_2. Аналоговый вход_1.
Обмен данными между клиентом и ОРС-сервером может быть в трех режимах: синхронный режим чтения/записи данных, асинхронный режим чтения/записи данных, режим подписки (только чтение данных).
При синхронном режиме ОРС-клиент запрашивает уОРС-сервера интересующие его переменные и находится в режиме ожидания. После выполнения запросаОРС-клиент считывает значения переменных.
При асинхронном режиме обмена ОРС-клиент запрашивает у ОРС-сервера значения переменных с заданной частотой обновления данных, определенной при создании OPCGroup, и продолжает работать. После выполнения запроса ОРС-сервер сам оповещает об этом ОРС-клиента. Этот режим является наиболее распространенным в силу экономии вычислительных ресурсов и времени.
Режим подписки аналогичен асинхронному режиму с той лишь разницей, что ОРС-сервер посылает ОРС-клиенту уведомление лишь в случае изменения значений переменных. Передача этих данных осуществляется единым блоком с целью снижения временных затрат, что особенно важно при обмене по сети.
Одной из основных характеристик ОРС-сервера является его производительность. Известны три вида ОРС-серверов в зависимости от их местонахождения.
Внутризадачный ОРС-сервер (InProcess Server), находящийся в адресном пространстве ОРС-клиента. Оформлен, как динамическая библиотека (DLL), а не как самостоятельная программа.
Локальный ОРС-сервер (Local Server) – сервер работает в отдельной самостоятельной программе того же компьютера, в котором расположен ОРС-клиент.
Удаленный ОРС-сервер (Remote Server) – сервер расположен на другом (удаленном по сети) компьютере.
Естественно, производительность внутризадачного сервера выше локального, а последнего – выше, чем удаленного. Однако другим важным фактором, влияющим на производительность ОРС-сервера, является возможность группировки данных, отправляемых ОРС-клиентам.
Так, по данным Web-узла ОРС Foundation (www.opcfoundation.org) предельная пропускная способность внутризадачного сервера (процессор Pentium 233 МГц) составляет до 1 млн. элементов ОРС в секунду, что является вполне достаточным для подавляющего числа процессов. Пропускная способность локального ОРС-сервера составляет от 3000 до 60000 элементов в секунду. Для удаленного ОРС-сервера по сети Ethernet 10 Base-T пропускная способность колеблется от 330 до 7000 элементов в секунду.
Типовая структура ОРС-сервера с открытой архитектурой представлена на рис. 3.15.
Открытая архитектура ОРС-сервера предусматривает возможность его работы (после небольшой доработки) с любым аппаратным или программным средством, поддерживающим технологию ОРС. Чтение данных с устройств ввода или прямо из кэш-памяти данных осуществляется с помощью функции Read. В свою очередь функция ReadFromDevices опрашивает устройство ввода и передает данные ОРС-клиенту. Функция Write служит для записи данных ОРС-клиента на устройство вывода и/или в кэш-память данных. Функции обновления устройства ввода, кэшпамяти данных и ОРС-клиентов осуществляются с частотой, заданной клиентом при формировании OPCGroup.
Рис. 3.16
Таким образом, разработчик АСУ ТП при выборе SCADA-системы, контроллеров и др. аппаратуры, поддерживающих технологию ОРС, может рассчитывать на взаимопонимание компонентов системы. К сожалению, при наличии в системе аппаратных средств других фирм, интерфейсы которых не поддерживают ОРС-взаимодействие, использование их в сетевом обмене данными затруднено. В этом случае требуется разработка специализированных ОРС-серверов, обладающих свойствами открытости. При этом разработчик (пользователь) должен написать динамическую библиотеку (DLL), содержащую полный код, необходимый для управления конкретным устройством, либо обеспечить связь с соответствующей DLL, поставляемой производителем этого устройства.
Специализированный ОРС-сервер разрабатывается на основе программной заготовки, созданной некоторыми фирмами. Так, фирма Iconics, изначально спроектировавшая SCADA-систему Genesis32 на основе ОРС-технологии, предлагает ОРС ToolWorX, оформленный в виде дополнительного мастера в Wizard, который встроен в среду разработки Visual C++. Мастер генерирует проект, в котором требуется выполнить модификацию фрагментов кода, связанных со спецификой обслуживаемого устройства нижнего уровня. Так, на базе Iconics ToolWorX создан универсальный ОРС-сервер фирмы Fastwel – Universal ОРС Server. Этот ОРС-сервер предусматривает подключение динамической библиотеки (DLL), написанной пользователем для конкретного устройства. Недостатком ОРС-сервера служит то, что клиент получает данные из внутреннего буфера DLL, а не непосредственно от устройства ввода, что служит причиной некоторой временной задержки обмена данными. Эти недостатки устраняются в предлагаемых структурах ОРС-серверов, описанных в работе [13].
Для разработки ОРС-сервера в АСУ ТП, использующей SCADA-систему FIXDynamics, целесообразно использовать пакет для разработки ОРС-приложений фирмы Intellution.