Молодые и пытливые умы на заводе нашей дочерней компании прикручивают к SCADA телеграм-бота. Говорят, - Будем рулить заводом через Телегу. Учитывая, что завод химический, а от моего дома до него всего 28 километров, планирую начать эвакуацию не дожидаясь начала тестирования.
С каждым новым объектом стараюсь дорабатывать и улучшать интерфейсы инженерных систем, опираясь на уже наработанный опыт. Сейчас под будущий проект доработал интерфейсы на вентиляцию до стадии, когда все нравится и уже не хочется больше ничего менять и я хочу поделиться им с вами и процессом его создания.
До того, как открыть редактор и начать работать, стоит уточнить несколько особенностей.
Я буду делать интерфейс в Figma, но не буду акцентировать внимание на ее инструментах, так как можно использовать любой другой софт, это не имеет большого значения.
Я буду делать интерфейс именно для SCADA, чтобы использовать его в HMI панелях нужно будет уменьшать кол-во информации, увеличивать переменные и кнопки.
Буду придерживаться модульности и "наборности", чтобы было удобно и быстро менять содержание установок.
Буду стремиться создать универсальную стилистику, чтобы можно было сделать аналогичные окна и других инженерных систем (ИТП, ХЦ, котельная и т.д.)
Создадим фрейм размером 1160 х 800 px, размер продиктован сеткой и предназначен под всплывающее окно, привязки к разрешению экрана тут нет. Добавим сразу направляющие со всех сторон с отступом 40 рх по краям и договоримся не вылезать за них, чтобы информация на экране не была сильно зажата рамками.
Теперь добавим сетку. Ширина колонки будет 100 рх, кол-во колонок 8 штук, отступы между колонками и от краев 40 рх, в сумме получилась ширина 1160 рх. Каждая колонка - это функциональный элемент вентиляционной установки. Я взял с одного объекта довольно большую и насыщенную установку и у меня получилось 7 элементов, восьмую колонку я оставлю для температуры в канале и уставки. Если делать такой интерфейс под совсем загруженную установку, то нужно будет увеличивать ширину на количество колонок кратно 140 рх.
Буду ориентироваться вот на такую вентиляционную установку: приточно-вытяжная с роторным рекуператором, водяным охлаждением и нагревом, фильтрами на притоке и вытяжке.
Палитра у меня подобраны были уже давно и, как мне кажется, удачно, она успешно переходит из проекта в проект почти не меняясь. Я использую по три цвета для всей статики темной и светлой темы, один универсальный серый цвет для текста, удачно сочетается с обеими темами, два цвет для акцента и кнопок и три цвета состояния. Цвета хорошо подходят для современных мониторов, на которых хорошо различимы оттенки. На HMI панелях с TFT матрицами ситуация чуть другая и нужно будет больше контраста. Цвета можно оставить, но использовать подложку на фоне не получится, так как даже при минимальном угле обзора ее уже не будет видно. В целом, для HMI нужно использовать более контрастные сочетания цветов, в конце статьи я приведу пример этого интерфейса на панели оператора.
Я буду использовать 4 разных начертания: одно для всех подписей, одно для заголовков модулей и два начертания для переменных. Все важные значения я буду делать большего размера для акцентирования на них внимания, остальные переменные будут меньше. Основной шрифт я выбрал Roboto, это продиктовано ограничениями редактора SCADA системы, в нем можно использовать только этот шрифт. Roboto бесплатный, очень популярный шрифт и, кстати, используется в Android, наверное, по этому его и выбрали разработчики scada системы. Заголовки при этом я буду делать другим шрифтом и обращу внимание, что он платный.
Я сразу добавил все стили в шаблоны, чтобы дальше было удобнее с ними работать. Все динамические элементы и переменные я создам в отдельной вкладке Фигмы, чтобы удобнее было в конце скрыть их и экспортировать только статику.
В верхней части я сделаю секцию размером 1080 х 40 рх, там удобно отображать главную информации о состоянии установки. Элементов управления в ней не будет, только основная информация.
В основной части экрана располагается непосредственно сама мнемосхема. Отступы по 60 рх между верхней, нижней частью и между самими кружками по вертикали. На мнемосхеме у меня будет приточно-вытяжная установка с рекуператором, нагревом и охлаждением, согласно функциональной схеме в начале статьи. Толщина линий 4 рх, кружки размером 100 х 100 рх с внутренней обводкой в 4 рх.
В нижней части будут модули с дополнительной информацией и управлением. Содержание этих модулей очень зависит от автоматизации и того, какие переменные можно "забирать" с контроллера. Но принцип их размещение от этого не меняется, сейчас можно разместить 4 информационных модуля кратно двум колонкам сетки. Если информации в нем будет мало, и их нужно будет больше по логике содержания, то можно их разделить по горизонтали. Все довольно индивидуально, но важно сохранять размеры и отступы, чтобы не рушилась сетка.
Добавил подписи ко всем элементам и сделал верхнюю статусную строку темной для контрастности. Сейчас уже вырисовывается макет интерфейса, дальше будем наполнять деталями.
Стоит обратить внимание, что почти всегда на одном объекте установлены разные по наполнению установки, а нам нужно придерживаться модульности. Если нужно будет добавить новые элементы, например, увлажнение или второй нагрев, то можно увеличить кол-во колонок и увеличить ширину фрейма. При этом, если установка будет меньше, то лучше не уменьшать кол-во колонок и размер фрейма, а просто убрать лишние модули.
Вот так будет выглядеть самая простая установка: приточная вентиляция с водяным нагревом воздуха. Так мы сохраняем унификацию и создаем модульный интерфейс. Здесь образовалось много свободного места, но так даже лучше.
В верхней строке я расположу главную информацию о состоянии установки без кнопок управления. Слева большой индикатор работа/стоянка, справа индикатор наличия аварии, размеры индикаторов 100 х 28 рх. Добавил немного меньшего размера индикатор зима/лето размерами 80 х 28 рх. И еще добавлю сюда 2 переменные, но уже текстовые: температуру наружного воздуха и источник управления. Строка получилась довольно емкая и есть еще место для другой информации, например, для названия самой установки. Размер переменных в строке я использую только средний.
Строка состояния получилась довольно яркая и удобная для отображения в ней информации. Важно, что она выглядит обособленной и сможет гармонично "переезжать" в интерфейс HMI, на обзорные схемы, на планировку и т.д. Помним про преемственность интерфейса.
Изначально все мнемосхемы у нас были 3D и с красивыми анимированными иконками, но по ряду причин от 3D отказались полностью. Долгим путем пришли к круглым модулям под каждый элемент установки. Вот тут я писал большую статью с ретроспективой и там можно проследить весь путь.
Для индикации заслонок и фильтра я использую минималистичные иконки. При загрязненном фильтре и когда не открылась заслонка можно красить в красный саму иконку и обводку, тогда получится, что обводка на всех кругах будет функциональная.
У нагрева и охлаждения обводка заполняется пропорционально открытию клапана. У нагрева можно сделать еще дополнительную индикацию: сплошная красная обводка в случае сработки защиты от замерзания и рыжая мягкая пульсация в режиме прогрева.
У вентилятора плавная анимация сегментов. При работе сегменты вращаются пропорционально частоте, в случае аварии вентилятора сегменты подсвечиваются красным, а в стоянке цветом переменных.
Главная информация в центре круга сделана большим начертанием переменных, оставшаяся средним.
Пример индикации другого состояния установки.
Как и говорил в начале, наполнение этих карточек очень индивидуально. Я взял информацию для примера с одного из наших объектов. Надо понимать, что еще свои ограничения может накладывать сама scada со своей стилистикой кнопок, меню и тумблеров.
Размер модуля 240 х 300 рх с скруглением 12 рх. Высоту сегмента и все окно в целом можно увеличить если не хватает места под вывод информации. Если информацию в модуле нужно отделить по логике, можно использовать горизонтальную линию в 1 рх. Отступы внутри модуля от краев по 20 рх. Кнопки будут одного цвета и в светлом, и в темном интерфейсе. Размер кнопки 200 х 26 рх, скругление 4 рх, тумблер 40 х 20 рх.
На что нужно обратить внимание. Нужно отделить друг от друга переменные, которые только для чтения от переменных, которые пользователь может изменить, поэтому для редактируемых переменных я добавил прямоугольный фон. Можно еще выделить цветом сами переменные. Здесь важно принять единое правило и соблюдать его на всех интерфейсах проекта, чтобы не вводить пользователя в заблуждение, что можно нажать, а что нельзя.
Здесь я только заменил цвета светлые на темную. Есть разные аргументы в пользу темной или светлой темы интерфейса, поэтому последние пару лет делаем сразу две версии и даем пользователю самому выбрать тему. Напишите в комментариях какая тема вам нравится больше и почему.
Как правило, инженерные системы имеют структуру от общего к частному, на главном окне стоит размещать планировку или схему с общим количеством установок здания, показывая только самую главную информацию. Если установок очень много, то можно отображать только состояние установки. Если есть место, можно сделать карточку каждой установки и показать немного больше информации. Оба вариант на примере снизу.
Здесь важно сохранить идентичность интерфейса от частного к общему как в нашем случае или наоборот. Верхняя строка состояния ужимается и трансформируется, но при этом сохраняет стилистику и содержание. Обводка нагрева и охлаждения трансформировались в прямую линию. При этом мы сохраняем все цвета, начертания и размеры шрифтов.
Я попробовал быстро перенести интерфейс на HMI панель 7 дюймов с 800 х 480 рх разрешением. Верхняя строка стала прямоугольной под экран панели, размеры кружков и содержимое их не изменилось, я просто перенес их, уменьшив отступы между ними. Все нижние модули сжались в строку навигации с кнопками.
Спасибо, что дочитали до конца, надеюсь материал найдет своего читателя и окажется кому-то полезным. Больше про автоматизацию и инженерные системы пишу в ТГ
Итак, не так давно был пост Замкнутый круг - Siemens вокруг! не думал, что оставленный мною комментарий приведет к появлению у меня подписчиков и интересу к вопросу как стать программистом АСУТП.
Опишу вкратце саму специальность, обязанности и как я к этому пришел. Будет много текста.
Что делает любой программист? Правильно - программирует. И на этом можно было бы окончить описание, но не все так просто. Начнем.
АСУТП - автоматизированные системы управления технологическим процессом. Из расшифровки аббревиатуры уже можно понять, что задача инженера по автоматизации - создание программного продукта, который упрощает жизнь в первую очередь оператору механизма, который нужно автоматизировать (чаще происходит наоборот, так как не все хотят учить новое и упираются нововведениям всеми силами).
Обязанности могут быть самые разнообразные. В небольших компаниях инженер-программист может проектировать электрические схемы для автоматизируемого устройства, а затем и писать программу. В более крупных компания только программирование. Работал в компании где было 10 человек, не считая монтажников и в компании, где было свыше 200 сотрудников. Всегда будут командировки - вы будете участвовать в пуско-наладочных работах. Это если из основного. Не удивляйтесь и ситуации когда программист будет с отверткой что-то ковырять в щите управления чем-либо, отсюда следует, что вы обязаны уметь читать и при необходимости изменять электрические схемы, знать технику безопасности и ПУЭ ваша настольная книга. Иногда меня хотели заставить что-то изменить в силовой части подключения, но я этого не делал как бы косо на меня не смотрели электрики/монтажники. А вот объясню почему, на всех фирмах, где я работал у меня не было допуска по электробезопасности, а отсюда следует, что я вообще не должен лезть туда, где есть напряжение. Так что нет допуска - нет и каких-либо изменений схемах шкафа управления.
Часто бывает, что изначальная схема и то, что собрано по факту на объекте отличается. Причины могут быть разные - экономия (купили дешевле оборудование, решили поставить, что на складе нашлось, кто-то откат получил и т.д.). Задача программиста, который приехал на пуско-наладку подружить это все и заставить работать. Иногда это бывает очень непросто. Но про это будет позже, сначала необходима программа, а потом уже запуск объекта.
В общем выполнение работ по автоматизации проходит следующие стадии (упрощенно, на самом деле все немного сложнее):
1. Если участвуют несколько отделов в реализации проекта, то, когда приходит запрос из отдела продаж, каждый отдел предоставляет часы, которые потратит специалист на реализацию своей части. Далее это все суммируется и возвращается в отдел продаж. Они офигевают и ообычно на этом этапе уменьшаются часы, заложенные различными заинтересованными отделами, ибо дорого, и нужно продать. Ненавижу за это "продажников", хотя и понимаю, что это бизнес. Чтобы было понятно, в компании, где было больше 200 сотрудников были: департамент проектирования, департамент разработки ПО, департамент пуско-наладочных работ. И каждое подразделения выдавало кол-во часов на этот проект, необходимое для выполнения их части работ. И как итог выиграли тендер (если повезло, не будем говорить про остальные схемы).
2. На этом этапе обычно пишется ТЗ (технологическое задание) программистом на автоматизацию, хотя должно быть наоборот, заказчик должен предоставить описание того, что он хочет получить. Но у меня было так, как описываю. Дальше это ТЗ долго и нудно согласовывается с заказчиком, вносятся правки, ставятся подписи. Хотя это совсем не гарантия того, что ТЗ останется неизменным. Правки могут прийти, когда до начала пуско-наладочных осталось совсем немного времени, но почти всегда фирма-исполнитель прогибается под заказчика и программист потом в панике вносит изменения, что приводит к тому, что ПО будет не протестировано до конца, что приводит к задержкам при вводе в эксплуатацию и т.д. Но никого это обычно не волнует, хоть спи на объекте, но оно должно работать.
3. Когда есть ТЗ начинается, собственно, и реализация/придумывание того, как же оно все должно работать. Помимо программы для контроллера (ПЛК - программируемый логический контроллер) иногда нужно сделать и визуализацию. Для визуализации, в зависимости от поставленных целей применяется SCADA или HMI. В чем отличия отлично гуглится (статья и так уже огромная, сам не ожидал).
4. Тестирование программы на стенде или в симуляторах. Отлично работающая программа в симуляторе не равно иногда даже работающей на «живом объекте».
5. И самый интересный момент — это пуско-наладка (ПН). Об этом напишу подробнее.
Итак, что должен делать инженер во время ПН. Для удобства разделю на этапы.
1. I/O check проверка правильности подключения всех входов/выходов ПЛК (программируемый логический контроллер). И если что-то неправильно – то исправление. На данном этапе никакого ручного управления, не говоря уже про автоматизацию нет. Просто в контроллере можно жестко активировать выход и посмотреть, тот ли механизм включился. С входами проще, бегаешь вокруг механизма и тыкаешь кнопки, замыкаешь вручную концевые выключатели и смотришь, соответствует ли это тому, что ты заложил в программу. Для тех, кто не в теме, каждый контроллер имеет входа и выхода. Входа используются для сбора данных с механизма (всякого рода датчики, кнопки и т.д.). Выхода же нужны для управления устройством, например включить двигатель, закрыть задвижку и т.д. Это если очень упрощенно и не вдаваясь в подробности.
2. Если предыдущий этап закончился успешно и все собрано правильно (на более-менее больших объектах с первого раза никогда все правильно собрано не будет) – то приступаем к проверке в ручном режиме. Для этого либо со SCADA либо HMI включаем/выключаем узел агрегата и смотрим все ли правильно работает и все ли правильно отображается. Часто бывают ошибки (если используется визуализация) в привязках переменных к объекту на визуализации. Например, запустили один механизм, а на панели/скаде отображается, что включился другой, хотя работает правильный ну и т.д. Эти ошибки сразу же исправляются и процесс проверки продолжается.
3. Когда закончили ручное тестирование – переходим к самому сложному и интересному (вот тут симулятор, если тестировалась программа на нем, и дает прикурить иногда). Автоматический режим. Ну с ним все ясно, перевели все механизмы в автомат и запустили объект.
С этим режимом всегда могут быть проблемы. И когда вы пишете программу нужно учитывать максимально возможные варианты. Например, на двигателе перестал работать датчик температуры и из-за этого запускать этот узел в автоматическом режиме нельзя (ведь датчик не просто так там установлен), но если этот узел нельзя запустить в автомате, то и остальные по идее тоже нельзя, так как в автоматическом режиме реализовываются блокировки, которые отключат механизм при неисправности. Неисправность одного узла не дает запустить другой от него зависящий ну и т.д. И теперь нужно ждать пока починят неисправность, а производство в это время стоит. И владелец кричит какие в обще все, хм, хорошие люди. Но обычно так не делается. Почти всегда есть возможность запустить все в автомате, даже если какой-то из узлов агрегата не может работать в автомате. Часто дается возможность отключить контроль какого-то сигнала, например, тот же датчик. Активируем эту функцию и все у нас работает в автомате, так как сигнал от датчика не учитывается и в дальнейшем это может привести к проблемам, но это уже ответственность заказчика. Все эти режимы описываются в инструкции и с большими предупреждающими знаками. При использовании систем визуализации часто делают так называемый лог событий сюда входят аварии (это всегда делается) и действия оператора (имя оператора, что нажал, какой режим выбрал, что изменил и т.д.). И если возникает поломка механизма по вине заказчика, так как отключили какой-то элемент контроля – то это уже не гарантийный случай и фирма, что делала автоматизацию не попала на деньги. Так как любой гарантийный ремонт делается за счет изготовителя, а в этом случае они сами виноваты.
На этом пока хочу закончить. И так уже вышел далеко за рамки того объема, который хотел написать. Возможно получилось как-то не слишком структурировано, но я старался))) Будет кому-то интересно возможно продолжу еще что-то по теме автоматизации писать.
Хочу поделится своим любимым делом. Деятельность моя относится к области промышленной электроники и автоматизации технологических процессов. Пытаюсь я найти довольно интересные для себя проекты, которых уже не один и не два. И вот с такого решил начать.
На одном предприятии, производитель вентиляционного оборудования (Бренд пусть остается тайной), есть отдел производства систем автоматического управления промышленной вентиляцией. Работа кипит, заказов у предприятия становится все больше и больше, и модификаций систем управления так же не мало. Конструкторский отдел справляется прекрасно, программисты от них не отстают. На производстве все налажено до автоматизма и работает как часики. Но вот не задача, собранная система управления требует программирование ПЛК, предварительной настройки и какой-то отладки. Что в свою очередь отнимает хороший кусок времени во всем технологическом процессе. Вот тут пришло в голову создание автоматизированного стенда для проверки собранных систем управления. Ну хотябы не всей линейки продукции, но как минимум большого объема однотипных систем.
Основа проекта составила контроллерное оборудование фирмы Siemens и вся системы была построена с использованием линейки S7-1200, а система визуализации на WinCC. Почему именно это решение а не, скажем, OWEN. Могу только ответить: потому)))
Первоначально система проявила себя очень удачно и проверка всех алгоритмов программы проверяемой системы управления происходило за считанные минуты или даже в некоторых случаях менее минуты. В проверку входило настройка схемы вентиляции, т.е. выбор устройств проверки, которых можно было выбрать около 13-15 штук. Видно на фото системы визуализации максимальной конфигурации. Так же опрашивался ModBus и алгоритм проверки сводился к тому, что получая сигналы от внешних исполнительных механизмов (сигналы от проверяемой системы), сравнивались с таблицей modbus и состоянию системы в целом. При удовлетворительной проверки узла, осуществлялся переход к следующему. Прелесть этой системы в том, что она значительно сократила проверку и отладку выпускаемой системы, свело к минимуму человеческий фактор, повысила производительность данной операции в технологическом процессе производства.
Дальнейшая работа показала что проекты на предприятии растут, заказы появляются довольно не простые и выпускаемые системы становятся так же громоздкими. Это привело к тому, что потребовалось небольшая модернизация системы управления.
Было закуплено пару дополнительных модулей и шкаф благополучно разобран и началась работа практически с нуля.
Когда железо было все собрано, началась работа над программным обеспечением. Цель работы была максимально задействовать все оборудование и отображение максимального количество сигналов. А так же алгоритмов процессов. Кстати, забегая вперед, пределу совершенствования нет, поэтому система в процессе эксплуатации подвергается всевозможным модернизациям и доработкам.
Система усложнилась значительно и количество обрабатываемых сигналов так же увеличилось. Изменены алгоритмы, добавились дополнительные блокировки и переключатели. Подключение к испытуемой системе осуществляется с помощью диагностических штыревых разъемов, а обмен данными о состоянии системы через RS485 ModBus.
Всего было создано шесть таких систем и полноценных рабочих мест во благо трудящихся)).
Надеюсь некоторым было интересно, что даст мне стимул продолжить публиковать свои, довольно интересные, проекты в области автоматизированных систем управления)) Всем добра!
Сервер автоматизации СА-02м с модулем питания и модулями расширения
СА-02м без разъемов, с разъемами, с led индикацией
Питается от 24 вольт постоянного тока через торцевой разъем от модуля питания МП-02м. Там же в торцевых разъемах (слева и справа по одному) расположены RS-485, к которым можно подключить модули расширения МР-02м для увеличения количества входов\выходов (дискретные, аналоговые). Устройство на базе одноплаточника с "камнем" Allwinner A40i. Установлен Armbian + Linux 6.1.0-rc6. Оперативной памяти 512 Мб, eMMC на 8 Гб, чего вполне достаточно для диспетчеризации 5 000 тегов в MasterSCADA4D (по информации о нагрузочных тестах СА-02м в ООО "МПС Софт").
Нагрузка при 500 тегах в MasterSCADA4D
Проект приточных установок в MasterSCADA4D
У сервера автоматизации СА-02м на борту 5 RS-485, один из которых с гальванической развязкой (изолированный). При установке системы диспетчеризации появляется возможность опрашивать различное инженерное и сетевое оборудование по протоколам МЭК 61850, МЭК 60870-5-104, Modbus RTU, Modbus TCP, OPC UA, SNMP, MQTT, BACnet, Profinet, Меркурий и других, что позволяет создать локальную систему учета электроэнергии, управлять системами вентиляции и кондиционирования воздуха, освещением, отоплением и т.д.
Так же есть возможность установить SCADA Каскад, Simple-SCADA, CoDeSys, NodeRed, OpenHab, Home Assistant и любое другое совместимое ПО.
Сервер автоматизации СА-02м
На верхней плате:
пара микросхем для RS-485 в торцевых разъемах
пищалка
статусные светодиоды
кнопка перезагрузки
На нижней плате:
3 разъема для RS-485
разъем для дискретного выхода
Ethernet
USB type-C + USB Type A
управление питанием USB для перезагрузки модемов
разъем под microSD
PCI-e для одноплаточника
батарейка для часов реального времени (RTC)
SK-A40i-NANO-2E
Allwinner A40i - 4xARM Cortex-A7 1200МГц
512 Мб DDR3 DDR-1200
8 Гб eMMC
2 х Ethernet 100/10M, 2 x USB
I/O: CAN, UART, SPI, I2C, PWM, HP-out, TV-in, GPIO ...
Размеры PCI-e 30х51х4мм
Температурный диапазон -40 ... +85 °C
Сервер автоматизации СА-02м с модулями расширения. Шкаф АСУ ТП
Подключили сервер автоматизации СА-02м к модулю питания МП-02м-24, подключили модули расширения, разработали проект диспетчеризации в MasterSCADA4D с нужной логикой работы и загрузили его.
Подключились на web по IP и управляете нужным оборудованием через графический интерфейс.
Затем добавили счетчики электроэнергии и реализовали энергоучет.
Воткнули USB модем, настроили подключение к серверу, так как это все в контейнере за пол версты от офиса и кабель не проложить до него. Потом добавили интеграцию с телеграм и начали получать уведомления на телефон. Добавили модуль с LoRaWAN для беспроводных датчиков и связи с другим контейнером. По SNMP добавили пару серверных стоек, для большего спокойствия, и можно идти на новогодние праздники.
Передумали, зашли под админкой, поставили CoDeSys с Control Basic M лицензией, и используете, как ПЛК. Нужно для дома - NodeRed и Home Assistant.
Будем рады Вашим идеям, предложениям и содействию по расширению функционала и возможностей СА-02м.
Сервер автоматизации СА-02м, модуль питания и модули расширения можно посмотреть тут: ЦИНТРОН - Устройства автоматизации
Одноплаточник можно глянуть тут: SK-A40i-NANO-2E
Подписаться на новости по нашим устройствам в телеграм тут: Цинтрон. Устройства автоматизации
Winter Is Coming. На смену программируемых логических контроллеров (ПЛК) постепенно приходят встраиваемые персональные компьютеры. Это связано с тем, что мощности компьютеров позволяют одному устройству вобрать в себя функционал программируемого контроллера, сервера, и (при наличии у устройства выхода HDMI) еще и автоматизированного рабочего места оператора. Итого: Web-сервер, OPC-часть, база данных и АРМ в едином корпусе, и всё это по стоимости одного ПЛК.
В статье рассмотрим возможность применения таких встраиваемых компьютеров в промышленности. Возьмем за основу устройство на базе Raspberry Pi, поэтапно распишем процесс установки на него открытой бесплатной Open Source SCADA-системы российской разработки — Rapid SCADA, а также разработаем в ней проект абстрактной компрессорной станции, в задачи которой будет входить удаленное управление компрессором и тремя вентилями, а также визуализация технологического процесса производства сжатого воздуха.
Сразу оговоримся, что задачу можно решать двумя вариантами. Принципиально они не отличаются друг от друга никак, вопрос лишь в эстетической и практической составляющей. Итак, нам необходимо:
1.1 Первый вариант подразумевает наличие непосредственно самого Raspberry Pi 2/3/4, а также наличие USB-конвертера в RS485 (так называемого «свистка», который можно заказать с Alliexpress).
Рисунок 1 — Raspberry Pi 2 и USB-конвертер в RS485
1.2 Второй вариант включает в себя любое готовое решение на базе Raspberry, рекомендованное для инсталляций в промышленных условиях cо встроенными RS485 портами. Например, такое, как на рисунке 2, на базе модуля Raspberry CM3+.
Рисунок 2 — Устройство AntexGate
2. Устройство с Modbus на несколько управляющих регистров;
3. ПК на Windows для конфигурирования проекта.
Главы статьи:
Часть I. Установка Rapid SCADA на Raspberry;
Часть II. Установка Rapid SCADA на Windows;
Часть III. Разработка проекта и его загрузка на устройство;
Выводы.
Часть I. Установка Rapid SCADA на Raspberry
1. Заполняем форму на сайте Rapid Scada для получения дистрибутива и скачиванием последнюю версию для Linux.
2. Разархивируем скаченные файлы и копируем папку «scada» в директорию /opt устройства.
3. Кладем три скрипта из папки «daemons» в директорию /etc/init.d
4. Даем полный доступ трем папкам приложения:
sudo chmod -R ugo+rwx /opt/scada/ScadaWeb/config
sudo chmod -R ugo+rwx /opt/scada/ScadaWeb/log
sudo chmod -R ugo+rwx /opt/scada/ScadaWeb/storage
⠀5. Делаем скрипты исполняемыми:
sudo chmod +x /opt/scada/make_executable.sh
sudo /opt/scada/make_executable.sh
⠀6. Добавляем репозиторий:
sudo apt install apt-transport-https dirmngr gnupg ca-certificates
sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-keys 3FA7E0328081BFF6A14DA29AA6A19B38D3D831EF
echo "deb https://download.mono-project.com/repo/debian stable-stretch main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mono-official-stable.list
sudo apt update
⠀7. Устанавливаем Mono .NET Framework:
sudo apt-get install mono-complete
⠀8. Устанавливаем Apache HTTP-сервер:
sudo apt-get install apache2
⠀9. Устанавливаем дополнительные модули:
sudo apt-get install libapache2-mod-mono mono-apache-server4
⠀10. Создаем ссылку на Web-приложение:
sudo ln -s /opt/scada/ScadaWeb /var/www/html/scada
⠀11. Из скаченного архива в папке «apache» копируем файл scada.conf в директорию /etc/apache2/sites-available
sudo a2ensite scada.conf
⠀12. Переходим по этому пути sudo nano /etc/apache2/apache2.conf и добавляем следующее в конец файла:
<Directory /var/www/html/scada/>
<FilesMatch "\.(xml|log|bak)$">
Require all denied
</FilesMatch>
</Directory>
⠀13. Выполняем скрипт:
sudo /opt/scada/svc_install.sh
⠀14. Перезагружаем Raspberry:
sudo reboot
⠀15. Открываем веб-сайт:
http://IP-адрес устройства/scada
⠀16. В открывшемся окне вводим логин «admin» и пароль «12345».
Часть II. Установка Rapid SCADA на Windows
Установка Rapid SCADA на Windows потребуется для настройки Raspberry и конфигурации проекта. В теории можно это делать и на самой малине, но в технической поддержке нам посоветовали использовать среду разработки на Windows, поскольку здесь она работает корректнее, чем на Linux.
Итак, приступим:
Обновляем Microsoft .NET Framework до самой свежей версии;
Скачиваем дистрибутив Rapid SCADA для Windows и устанавливаем в автономном режиме;
Запускаем приложение «Администратор». В нём мы будем разрабатывать сам проект.
При разработке необходимо обратить внимание на некоторые моменты:
1. Нумерация регистров в данной SCADA-системе начинается с 1 адреса, поэтому нам пришлось увеличить нумерацию своих регистров на единицу. В нашем случае это: 512+1 и так далее:
Рисунок 3 — Нумерация регистров в Rapid SCADA
2. Для перенастройки директорий и корректного развертывания проекта на операционной системе Linux, в настройках необходимо зайти в «Сервер» -> «Общие параметры» и нажать кнопку «Для Linux»:
Рисунок 4 — Перенастройка директорий в Rapid SCADA
3. Определяем порт опроса для Modbus RTU таким образом, как он определяется в системе Linux устройства. В нашем случае это /dev/ttyUSB0
Рисунок 5 — Перенастройка директорий в Rapid SCADA
При возникновении каких-то вопросов, все дополнительные инструкции по установке можно получить на сайте компании или на их youtube-канале.
Часть III. Разработка проекта и его загрузка на устройство
Разработка и визуализация проекта создается непосредственно в самом браузере. Это не совсем привычно после десктопных SCADA-систем, но вполне имеет место быть.
Отдельно хотелось бы отметить ограниченный набор элементов визуализации (рисунок 6). Из встроенных компонентов здесь есть светодиод, кнопка, тумблер, ссылка и указатель. Однако большой плюс в том, что данная SCADA-система поддерживает динамические изображения и текст. При минимальных знаниях графических редакторов (Corel, Adobe Photoshop и др.) можно создавать собственные библиотеки изображений, элементов и текстур, а поддержка GIF-элементов позволит добавить анимацию в визуализацию технологического процесса.
Рисунок 6 — Инструменты редактора схем в Rapid SCADA
В рамках данной статьи не было цели расписывать поэтапно процесс графического создания проекта в Rapid SCADA. Поэтому подробно не будем останавливаться на этом пункте. В среде разработчика наш простенький проект «Системы подачи сжатого воздуха» компрессорной станции выглядит следующим образом (рисунок 7):
Рисунок 7 — Редактор схем в Rapid SCADA
Далее заливаем наш проект на устройство. Для этого указываем IP-адрес устройства для передачи проекта не на localhost, а на наш встраиваемый компьютер:
Рисунок 8 — Загрузка проекта на устройство в Rapid SCADA
В итоге у нас получилось нечто подобное (рисунок 9). В левой части экрана находятся светодиоды, отражающие статус работы всей системы (компрессора), а также статус работы задвижек (открыты или закрыты), а в центральной части экрана — визуализация технологического процесса с возможностью управления устройствами посредством тумблеров. При открытии той или иной задвижки изменяется цвет с серого на зеленый как самой задвижки, так и соответствующей ей магистрали.
Рисунок 9 — Проект компрессорной станции (GIF-анимация)
Здесь вы можете скачать файл данного проекта для ознакомления.
На рисунке 10 изображено то, как в целом выглядит то, что у нас получилось.
Рисунок 10 — SCADA-система на Raspberry
Выводы
Появление мощных встраиваемых промышленных компьютеров позволяет расширить и дополнить функционал программируемых логических контроллеров. Установка на них подобных SCADA-систем может покрыть задачи небольшого производства или технологического процесса. Для более крупных задач с большим количеством пользователей или повышенным требованием безопасности, скорее всего, придется устанавливать полноценные сервера, шкафы автоматики и привычные ПЛК. Однако для точек средней и малой автоматизации по типу небольших производственных зданий, котельных, насосных или умного дома — подобное решение кажется целесообразным. По нашим подсчетам, подобные устройства подойдут для задач до 500 точек ввода-вывода данных.
Если у вас есть опыт рисования в различных графических редакторах и вас не смущает то, что вам придется самостоятельно создавать элементы мнемосхем, то вариант с Rapid SCADA под Raspberry весьма оптимален. Её функционал как готового решения несколько ограничен, поскольку это Open Source, однако и он позволяет покрыть задачи небольшого производственного здания. Поэтому если подготовить для себя шаблоны визуализации, то вполне можно использовать это решение для интеграции если не всех, то какой-то части своих проектов.
Имея достаточно большой опыт работы в области промышленной автоматизации, мы вечно находимся в поиске оптимальных вариантов для решения своих задач. В зависимости от технического задания заказчика, приходилось останавливаться на той или иной программно-аппаратной базе. И если не было каких-то жестких требований по установке оборудования Siemens в связке с TIA-portal`ом, то, как правило, выбор падал на MasterSCADA 3.XX. Однако ничто не вечно под луной…
О своём опыте перехода на MasterSCADA 4D, предпосылках, особенностях её работы на встраиваемых компьютерах архитектуры ARM под катом данной статьи.
Предпосылки
Мы начали тестировать относительно новую разработку компании Insat – MasterSCADA 4D – не так давно. Предпосылок для этого было несколько. Во-первых, мы провели несколько независимых опросов среди специалистов в области промышленной автоматизации с целью выяснить, какие SCADA-системы наиболее популярны (рисунок 1). По результатам опроса первое место среди отечественных систем занимает система MasterSCADA.
Рисунок 1 — Результаты опроса наиболее популярных SCADA-систем
Второй предпосылкой можно считать…
Теперь перейдем непосредственно к самой MasterSCADA 4D. Она состоит из двух программных продуктов, а именно: среда разработки и среда исполнения. О работе каждой из этих частей поговорим ниже.
Среда разработки
Проект системы создается в среде разработки MasterSCADA 4D, для этого необходимо получить бесплатную версию на сайте компании Insat и установить, следуя подсказкам.
Рисунок 2 — Интерфейс среды разработки
Первое, что бросается в глаза — это приятный интерфейс среды разработки и удобная иерархическая структура построения проекта. Теперь в одном проекте можно создавать программу не только под АРМ, но и под весь объект, начиная с контроллера — заканчивая сервером или рабочим местом оператора.
Среда разработки работает только на ОС Windows, это относительно привычно и терпимо, а вот среда исполнения (RunTime) приятно удивила своей возможностью интегрироваться в различные операционные системы и архитектуры процессоров, но об этом дальше.
Также порадовала большая библиотека элементов визуализации. Специалисты из различных сфер смогут найти для себя элементы визуализации, не прибегая к отрисовке или поиску иконок в интернете.
Рисунок 3 — Элементы визуализации
Коммуникационные протоколы
В системе поддерживаются различные драйверы (протоколы обмена), которые по умолчанию интегрированы в MasterSCADA 4D:
Modbus TCP/RTU, RTU поверх TCP
DCON
OPC UA/DA/HDA
IEC61850
SNMP
PostgreSQL
MQTT
IEC104
MSSQL
MySQL
Меркурий (отдельная библиотека) и др.
Среда исполнения
Среда исполнения может быть запущена на различных операционных системах и архитектурах персональных компьютеров, также вы можете запустить RunTime и на локальной машине, она устанавливается совместно со средой разработки и функционирует час (либо 32 тега) без ограничений.
Устройство AntexGate
MasterSCADA Runtime предустановлена отдельной опцией на встраиваемый ПК AntexGate с архитектурой процессора ARM и операционной системой Debian, тесты будем проводить на этом устройстве.
Рисунок 4 — Устройство AntexGate
Характеристики:
ЦПУ: 4-ядерный x64 ARM v8 Cortex-A53
1.2Mhz Оперативная память: LPDDR2 1024MB
Энергонезависимая память: 8/16/32GB eMMC
Подробнее об устройстве можно прочитать здесь.
Запустим программу в исполнительном устройстве. Для примера мы создали опрос и управление устройством по протоколу Modbus RTU, процесс настройки опроса интуитивно понятный и чем-то похож на настройку привычного OPC-сервера. Правда сейчас в RunTime встроены драйверы протоколов для обмена данными.
В качестве примера создадим простой проект для управления тремя насосами и двумя задвижками, необходимого для абстрактного производственного процесса. В среде разработки он выглядит следующим образом, как на рисунке 5.
Рисунок 5 — Проект в среде разработки
В итоге у нас получилась простая мнемосхема (рисунок 6), которая работает в любом браузере с поддержкой HTML5.
Рисунок 6 — Мнемосхема
Варианты отображения информации HMI
Есть возможность подключиться к среде исполнения через WEB, этот вариант не ограничивает нас в выборе клиента для просмотра данных на мнемосхеме.
В нашем случае на устройстве предусмотрен вывод информации через HDMI, Ethernet, 3G.
При подключении через HDMI мы обращаемся на LocalHost 127.0 0.1:8043 через встроенный браузер в AntexGate, либо подключаемся к фиксированному IP:8043 адресу в интернете или локальной сети предприятия другим «Тонким клиентом».
Рисунок 7 — Структура мониторинга WEB
Интересной новостью стал долгожданный MQTT протокол, которого обычно не хватало для мониторинга удаленных объектов в SCADA системах.
На сегодняшний день каждый имеет возможность получить недорогой VDS-сервер в интернете с фиксированным IP-адресом (например, сервер сайта компании) и развернуть на нем MQTT Broker (например, Mosquito).
Получив один сервер с MQTT брокером, мы легко можем отвязаться от дорогих услуг оператора — фиксированного IP и платить в год 900 рублей вместо 4000 рублей за связь 3G, т.е. при подключении 500 устройств экономия в год более 1,5 млн.руб..
Рисунок 8 — Структура мониторинга MQTT
Такое построение сети позволит не только экономить на трафике, но и обезопасит данные, так как передача данных по протоколу Modbus TCP в сети интернет не гарантирует безопасность и качество связи.
Таким образом, вы можете продавать тиражируемые проекты, в которых клиент сам выбирает поставщика интернета. И ни у кого не болит голова с настройкой и выделением IP адресов: клиент сам вставляет любую SIM-карту или подключается к маршрутизатору с DHCP-сервером.
Быстродействие
Для проекта главное быстродействие, в этом нам помогут так называемые «Задачи». По умолчанию у каждого узла при его создании только одна — Основная задача. Разработчик проекта может создать их столько, сколько необходимо для работы конкретного проекта. Особенности вычисления, например, цикл вычисления, будут зависеть от настроек той или иной задачи. Каждая из них будет работать независимо от других в устройстве. Создание нескольких задач целесообразно, если необходимо обеспечить разные циклы вычисления разных программ проекта.
Данная функция особенно интересна для устройств, на борту которых процессор с несколькими ядрами. Каждая «Задача» запускается как отдельный процесс в системе и нагрузка распределятся равномерно на работу процессора. В устройстве AntexGate установлен процессор ARM с 4-мя ядрами по 1.2ГГц и 1ГБ оперативной памяти, что позволяет создать как минимум 4 крупные задачи и распределить нагрузку по ядрам. В сравнении с ПЛК, устройство AntexGate может предоставить как минимум в 4 раза больше вычислительных способностей за такую же цену.
Рисунок 9 — Загрузка вычислительных способностей AntexGate в режиме исполнения
Как мы видим из рисунка 9, загрузка ЦП не более 2,5%, а памяти выделено всего 61Мб. Таким образом, небольшой проект в режиме исполнения потребляет очень мало встроенных ресурсов.
Устройство может использоваться не только как контроллер, но уже и как полноценный сервер с опросом более 2000 точек ввода-вывода и возможностью поддержки более 100 WEB-клиентов.
Для примера подключим 9 WEB-клиентов к устройству и посмотрим прогресс потребления ресурсов (рисунок 10).
Рисунок 10 — Загрузка вычислительных способностей AntexGate при подключении 9-ти WEB-клиентов
Как видно из рисунка выше, загрузка ЦП поднялась в среднем с 2,5% до 6%, а памяти выделено всего на 3Мб больше.
Благодаря большому запасу вычислительных ресурсов устройства, разработчику нет необходимости экономить на качестве программы, созданной в MasterSCADA 4D.
Кроссплатформенность
Также хочется отметить кроссплатформенность рассматриваемой SCADA-системы, которая дает интеграторам огромный выбор платформ для реализации своих проектов. Благодаря такому подходу переход между операционными системами или архитектурами ПК происходит очень просто.
Заключение
MasterSCADA 4D — относительно новый продукт компании Insat. На сегодняшний день информации по работе с этим программным продуктом не так много, как хотелось бы. Однако можно скачать бесплатную среду разработки с официального сайта компании, она имеет весьма подробную справку по работе с программой.
Рисунок 11 — Окно справки
В заключении хотелось бы сказать о том, что данная статья имеет вводные данные о программном продукте MasterSCADA 4D и много чего не сказано. Однако при Вашей поддержке, мы выпустим более подробные примеры и уроки по работе с этим программным продуктом.
Хотелось бы увидеть в комментариях, какие вопросы больше всего интересуют Вас. И самые часто задаваемые мы по возможности превратим в урок по созданию проектов в MasterSCADA 4D.
Разберем термины PLC (ПЛК), PAC (ПАК), RTU, DCS (РСУ) и SCADA, объяснения которых приводятся в материале специализированного портала Control Automation, объединяющего опыт инженеров в области АСУТП.
ПЛК / PLC
ПЛК – аббревиатура программируемого логического контроллера (Programmable Logic Controller – PLC). Это «мозги» множества различных промышленных процессов и, по сути, компьютеры промышленного назначения, используемые для управления на уровне оборудования.
Первоначально ПЛК был изобретен для замены блоков релейной автоматики в качестве систем управления промышленной автоматизацией, что позволило снизить затраты на управление этими реле за счет уменьшения количества оборудования и устранения потребности в физической перекоммутации реле всякий раз, когда требовалось внести изменения в систему управления. Это стало возможным, поскольку ПЛК можно просто перепрограммировать, как и любой современный компьютер.
Лестничная логика похожа на устаревший чертеж управления реле
Большинство ПЛК используют для программирования некоторую форму релейной логики, которая имитирует логику физической релейной системы управления. Программа на языке лестничной логикой выглядит как лестница из реле и других электрических компонентов со «ступенями», расположенными между источниками питания, изображенными по бокам. Все это можно отобразить в цифровом виде и перепрограммировать на компьютере или иногда (особенно в старых системах) через специальный интерфейс.
ПЛК находят применение во многих различных процессах автоматизации, управляя от систем освещения до различных видов приводов. Но ПЛК, согласно формальному определению, выполняет только логические манипуляции с битами, он изначально не обеспечивал расширенную связь и обмен данными с сетями более высокого и низкого уровня. Когда эти функции начали появляться, стало формироваться новое название для этих устройств.
ПАК / PAC
ПАК означает программируемый контроллер автоматизации (Programmable Automation Controller – PAC) и его можно рассматривать как «продвинутый» ПЛК с большей функциональностью и более высоким уровнем вычислительной мощности. ПЛК довольно просты по своим возможностям, в то время как PAC обычно имеют доступ к гораздо большему объему памяти и значительно более высокой вычислительной мощности, чем стандартный простой ПЛК.
Они часто используются для выполнения задач, связанных с ПИД-регулированием (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор – Proportional-Integral-Derivative - PID), а также, со связью, SCADA, регистрацией данных и другими задачами, которые традиционно выходили за рамки базовых ПЛК.
Пример PAC
ПЛК обычно недостаточно мощны для использования в приложениях управления движением, поэтому ПАК становится идеальным устройством управления для этого типа автоматизации. У ПАК есть преимущество, поскольку они построены на базе более чем одного процессорного чипа и могут выполнять более одной операции одновременно. Кроме того, они как правило содержат объединительную плату с высокой пропускной способностью, обеспечивающую быстрый сбор данных для скоростного управления и их эффективной обработки.
Хотя в наши дни большинство компаний фактически производят ПАК, мы почти всегда по-прежнему называем их ПЛК, поскольку они выполняют задачи логического управления.
Кроме того, концепция IPC (промышленного ПК – Industrial PC) достаточно успешна и потенциально может стать следующим этапом процессора управления.
Удаленный терминальный блок / RTU
Удаленный терминальный блок (Remote Terminal Unit – RTU) представляет собой устройство управления, расположенное отдельно от более крупного блока, обычно как часть гораздо более крупной системы. Во многих случаях они являются частью системы DCS или SCADA и включают в себя отдельные компоненты, для мониторинга которых применяется SCADA. RTU часто используются для контроля отдельных групп оборудования, таких как датчики, клапаны, вентиляторы и приводы.
Удаленные терминальные блоки со временем совершенствовались и стали способны выполнять программируемую логику, аналогичную логике современного ПЛК. Существуют разные методы передачи информации в основную систему управления, но большинство современных RTU используют Ethernet или подобную форму связи. Фактически, один из самых популярных сетевых протоколов всех времен, Modbus RTU, был разработан просто для взаимодействия с этими устройствами.
RTU часто являются частью SCADA-системы и могут использоваться для управления отдельными компонентами, такими как клапаны
Данные устройства обычно состоят из нескольких общих компонентов, которые вместе образуют независимый блок управления. Обычно они содержат своего рода базовый процессор для анализа входных данных и последующего принятия решений для системы или передачи информации в качестве выходных данных. Они также содержат некоторую форму локального или удаленного интерфейса ввода-вывода для получения информации об их работе и лучшего понимания состояния устройства, которое они контролируют.
Подводя итог, RTU подобен очень простому ПЛК, используемому для управления некоторым внешним изолированным устройством ввода-вывода или сетью, являющийся частью системы управления более высокого уровня.
РСУ / DCS
Распределенная система управления (Distributed Control System – DCS) – это ступень к системе более высокого уровня, используемая для управления и мониторинга нескольких системам одновременно. Они во многих случаях имеют встроенный уровень резервирования, помогающий снизить риск простоя в случае сбоя РСУ. Распределенные системы управления используются для мониторинга ряда систем в масштабах предприятия и управления выходными данными.
РСУ – это не отдельный блок, который вы можете приобрести, как ПЛК или удаленный терминал, а скорее целый набор продуктов уровня предприятия, от локальных устройств ввода-вывода до контроллеров и программного обеспечения мониторинга и планирования производства.
Как правило, большинство РСУ состоят из компонентов управления одного производителя, поэтому все компоненты могут легко взаимодействовать друг с другом. Например, в новой системе имеет смысл использовать ПЛК, устройства ввода-вывода и программное обеспечение одного производителя, чтобы гарантировать совместимость всего оборудования и иметь возможность взаимодействия как РСУ. Устаревшее оборудование можно адаптировать для работы в РСУ, но обычно это более сложная и дорогостоящая задача, чем проектирование с нуля.
SCADA
Диспетчерский контроль и сбор данных – SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – это термин, используемый для описания типа системы мониторинга и управления оборудованием, применяемой в различных производственных процессах. Эти системы используются для управления аппаратным и программным обеспечением многих систем, позволяя повысить эффективность производственных процессов всего предприятия.
Системы SCADA содержат HMI (Human Machine Interface – человеко-машинный интерфейс) как часть своей инфраструктуры, которая помогает оператору в диспетчерской принимать решения о состоянии системы и при необходимости вносить изменения по мере обновления информации о состоянии оборудования.
SCADA система обычно является центром диспетчерской предприятия
SCADA позволяет контролировать множество различных систем на предприятии, передавая данные на центральный пункт управления. Эти данные либо автоматически отслеживаются и обрабатываются заложенным алгоритмом автоматизации, либо отображаются на мониторе, где оператор может самостоятельно принимать решения и вносить изменения через HMI. Этот тип системы управления полезен в тех случаях, когда требуется обеспечить согласованную работа многих различных процессов.
Хорошим примером использования SCADA может послужить крупный технологический завод, где продукт перемещается с места на место с обработкой по пути. Например, на заводе по производству цемента оператор должен контролировать температуру и химический состав продукта по мере его перемещения по производственной линии. Если в какой-то момент продукт не соответствует техническим характеристикам, оператор может внести изменения с техпроцесс, чтобы привести его в соответствие со спецификациями.
Профессиональный сленг
По мере развития технологий границы между различными компонентами стираются. Некоторые устройства устаревают, в то время как другие развиваются и объединяются со смежными устройствами для создания единого, более эффективного решения. Поэтому не столь важно тратить время на запоминание формальных определений, так как они обязательно изменятся, сколько стоит разбираться в оборудовании и ПО, на котором работает предприятие.
Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)
