+7 (495) 744 8688
ПРИМЕНЕНИЕ SCADA-СИСТЕМЫ GENESIS32 ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ АСУ ТП
Одним из эффективных направлений исследования реальных технологических процессов является создание виртуальных (компьютерных) имитационных моделей технологических процессов и его составляющих. На этапе проектирования реальные системы автоматизации требуют более точного моделирования, отработки практического опыта и воспроизведения управления технологическими процессами (ТП). Такие системы моделирования приобретают более широкий спрос и требуют от специалистов в области проектирования АСУ ТП интенсификации усилий для качественного решения подобных задач. Основными этапами подготовки системы для моделирования является: формулирование цели, критериев и состава задач автоматизации и определение степени охвата технологических и производственных процессов контуром автоматизации. На начальной стадии проектирования верхнего уровня АСУ ТП требуется принятие проектных решений на основе результатов обследования ТП, с выявлением потребности в автоматизации ряда задач, с обоснованием эффекта от автоматизации, с выбором идеи и алгоритмов управления.
При создании виртуальных ТП использовались методы имитационного моделирования, теории вероятности, теории автоматического управления. Практически любую задачу автоматизации можно разбить на ряд технологических процессов.
Структурно ТП состоят из технологических объектов – элементов ТП, под которыми понимаются технологические установки и устройства, агрегаты. Каждый технологический объект (элемент) можно скомпоновать из локальных имитационных моделей, таких же структурных элементов – элементов виртуального ТП.
Таким образом, общим требованием к виртуальному ТП является сходство с задачами управления технологическим процессом-прототипом. Для виртуального ТП необходимо согласование входов и выходов его элементов.
Требование к элементам виртуального ТП состоит в обеспечении возможности автоматизированной компоновки различных вариантов моделей ТП на основе сопряжения элементов виртуального ТП путём унификации их входов и выходов. Модель элемента виртуального ТП описывается множеством атрибутов. Для упрощения описания приведём приближённое определение звеньев возможных значений атрибутов имитации:
– звена-источника; звена-приёмника;
– звена-преобразователя (имитирующего процесс на конкретной технологической установке, агрегате);
– интегрирующего звена (приблизительный аналог ёмкости или склада).
Таким образом, можно отвлечься от детальных особенностей динамики отдельных узлов системы для выработки основных проектных решений.
В качестве примера можно привести структуру ТП, представляющего собой граф, вершинами которого являются звенья, а ребра показывают направление движения материальных потоков (рис. 1).
Однако в приведённом подходе не учитывается время запаздывания в передаче материальных потоков от агрегата к агрегату, что является недостатком при применении этого подхода для распределённых ТП.
Компоновка виртуального ТП из перечисленного состава звеньев базируется на использовании матрицы сопряжения элементов виртуального ТП.
Соединение элементов (звеньев) виртуального ТП возможно, если выходной поток одного звена совпадает хотя бы по одной составляющей с выходным потоком другого звена.
Для конструирования виртуального ТП используется под-множество желаемых задач, zзаданное из множества всех задач, которые можно исследовать на полученном ТП, информация об элементах виртуального ТП и матрица сопряжения элементов виртуального ТП.
Процесс конструирования сводится к задаче поиска цепочек элементов виртуального ТП, отвечающих ограничению на наличие задач zзаданное, на орграфе, соответствующем матрице сопряжения. Эту структуру виртуального ТП можно использовать для имитационного моделирования ТП.
Далее описана структура программного комплекса и алгоритмы имитационного моделирования виртуального ТП, механизм взаимодействия комплекса со SCADA-системой.
Требования к программному комплексу виртуальных ТП как моделирующей среде:
– обеспечение возможности внесения различных структур и алгоритмов управления исследуемым ТП;
– обеспечение возможности наблюдения изменения параметров исследуемого ТП;
– обеспечение функционирования моделирующей среды в реальном и ускоренном масштабах времени;
– обеспечение открытости среды для использования в ней реализованных и функционирующих программ.
Структурно-функциональная модель комплекса виртуальных ТП включает в себя модуль редактирования БД комплекса, модуль конструирования виртуального ТП, модуль имитационного моделирования виртуального ТП и модуль имитации системы управления.
Посредством модуля редактирования банка данных комплекса (БД комплекса) осуществляется запись информации о формализуемом ТП в банк моделей ТП (БМ ТП) и базу данных сопряжения (БД сопряжения). Данный модуль позволяет просматривать и редактировать данные об уже имеющихся ТП. Используя этот модуль, можно работать с БД систем управления - добавлять новые модели управления, просматривать и редактировать уже имеющиеся.
Модуль конструирования виртуального ТП, используя информацию из БМ ТП и матрицу сопряжения элементов ТП (БД сопряжения), создаёт структуру виртуального ТП, с учётом покрытия множества задач zзаданное, заданных перед его генерацией (рис. 2).
В соответствии со структурой виртуального ТП и переменных, участвующих в его описании, генерируется файл описания ОРС-тегов (файл формата CSV). Этот файл используется ОРС-сервером для создания ОРС-тегов, соответствующих технологическим переменным виртуального ТП.
Модуль имитационного моделирования виртуального ТП занимается пересчётом переменных в уравнениях элементов виртуального ТП, обеспечивая имитацию функционирования данного ТП (рис. 3).
Модуль имитации системы управления аналогичен модулю имитационного моделирования виртуального ТП. Он предназначен для пересчёта управляющих переменных виртуального ТП в соответствии с уравнением используемого управляющего устройства (регулятора), хранящихся в БД систем управления.
Изменение системного времени s при имитационном моделировании виртуального ТП происходит по «принципу t», то есть системное время виртуального ТП меняется с постоянным шагом t. Для возможности изменения масштаба времени функционирования виртуального ТП (ускорения/замедления моделирования) в основной цикл расчёта переменных ТП введён программный оператор задержки выполнения программы. Время задержки задаётся на этапе задания параметров структуры виртуального ТП.
Совместно с разработанным комплексом виртуальных ТП используется SCADA-система. Задача комплекса виртуальных ТП заключается в конструировании ТП и его дальнейшем имитационном моделировании, а задача SCADA-системы – в отображении, визуализации и архивации технологических данных виртуального ТП.
Для обмена данными между комплексом виртуальных ТП и SCADA-системой используется стандарт ОРС (OLE for Process Control). При решении задачи взаимодействия SCADA-пакета с другими программными системами, особенно самостоятельно разрабатываемыми пользователем, важное значение имеет открытость ресурсов SCADA-пакета GENESIS32/64, т. е. возможность просмотра программами используемых файлов данных. Такую возможность предоставляет технология XML, представляющая все файлы созданного с помощью SCADA-пакета проекта, в виде XML-файлов, доступных любому приложению Windows.
ОРС-сервер, как специализированная программа-драйвер, выступает в качестве передаточного звена между SCADA-системой и комплексом виртуальных ТП (рис. 4) и отвечает за передачу технологических данных виртуального ТП.
Для работы с системой моделирования, помимо ОРС данных, часто требуется интегрировать данные из сторонних баз данных (MS Access, MS SQL Server 2005/2008, ORACLE, поддержка SAP BAPI и т.п.) В таком случае есть возможность использовать технологии Data Mining и Система управления рецептами, входящими в состав стандартного пакета GENESIS32/64. Эти дополнительные средства и компоненты позволят: поддерживать просмотр SQL-команд, тестировать запросы к БД, использовать ActiveX компоненты и рецепты, импортировать и экспортировать данные и конфигурации рецепта в/из XML и CSV-файлов.
При работе с комплексом виртуальных ТП можно выделить три режима: режим пополнения БД комплекса; режим конструирования; режим имитационного моделирования.
Применение приёмов проектирования АСУТП на базе комплекса виртуальных ТП показано на примере ТП водораспределения в динамической гидросистеме (ДГС). ДГС включает взаимосвязанную сеть из каналов, ёмкостей, естественных источников водоподачи и водорегулирующих сооружений (рис. 6). Процесс водораспределения в ДГС характеризуется наличием различный схем управления (обеспечение требуемой водоподачи в определённые каналы, поддержание страхового запаса воды в системе, минимизация финансовых издержек, связанных с технологическим управлением), распределённости ТП, наличием запаздывания в элементах ТП и широкой гаммой технологических данных. Замысел, положенный в основу сценария разработки проекта: потребители, потребляющие воду для ДГС, имеют существенные различия в расходе и соответственно различные приоритеты при распределении воды. Логическая цепь, ведущая к структуризации задачи проектирования: «повысить эффективность ДГС, обнаружить, что текущая подача воды по сравнению с предусмотренной не отличаются многократно, обнаружить, что подача воды сверх предусмотренной не происходит, а также не произойдёт в ближайшее время, сформулировать критерий автоматизации: повышение эффективности ДГС за счёт управления запасами воды из резервных каналов на основе оперативного планирования подачи потребителям и прогноза поступления воды». Такая логическая цепь позволяет сформировать перечень функциональных задач АСУ, что и является результатом задачи проектирования.
Использование современных технологий моделирования АСУ ТП с использованием возможностей передовых SCADA-систем позволяет осуществлять предпроектную подготовку сложных систем автоматизации. Данные методики широко применяются при подготовке инженерных кадров, специалистов по проектированию АСУТП, организации процесса обучения. Разработчику можно свободно выбирать оборудование - независимо от того, кто его производит. Использование же технологии OPC позволяет любому OPC-совместимому клиентскому приложению получать доступ к любому устройству управления.
Поскольку у компании «ПРОСОФТ», представляющей SCADA-систему GENESIS32 в России, есть большой опыт организации обучения в области прикладных задач автоматизации, использования моделирования на базе виртуальных ТП, прикладных технологий компании ICONICS, она на протяжение многих лет успешно реализует проекты SCADA для 32/64-битных систем в различных отраслях экономики. Другое неоценимое преимущество перечисленных технологий состоит в том, что при их использовании снижаются риски и стоимость реализации проектов АСУТП.
Дмитрий ШВЕЦОВ,
брендменеджер
Компания «ПРОСОФТ»
119313, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, а/я 52
тел.: 8 (495) 234 0636
факс: 8 (495) 234 0640
- Теги: автоматизация
