Разработка системы удаленного сбора информации в SCADA-среде

Технические характеристики Siemens MC35i Terminal GSM/GPRS-модема, работающего в режиме постоянного подключения

Терминал MC35i, разработанный в первую очередь для сегмента M2M «машина-машина», находится в режиме постоянного подключения и обладает возможностями высокоскоростной передачи данных.

Надежное двухдиапазонное GSM-устройство с поддержкой стандарта GPRS класса 8 может использоваться для различных целей:

– .. мобильный доступ в интернет

– .. системы управления дорожным движением и навигации

– .. телесервис

– .. логистика

– .. системы безопасности

– .. торговые автоматы

– .. дистанционный контроль

– .. дистанционное управление

С помощью стандартизованных интерфейсов можно легко подключить терминал MC35i к различным устройствам с использованием технологии plug & play, что позволяет сократить сроки и стоимость разработки продуктов.

Другим преимуществом является то, что терминал уже получил одобрение R&TTE и GCF, а также сертифицирован в России, и ему присвоена маркировка Е (необходимая для установки на транспорте в Европе).

Наиболее важные функциональные возможности терминала MC35i:

– Работа в двух диапазонах GSM (900/1800 МГц) и GPRS класса 8

– Поддержка канала управления широковещательной передачей пакетов (PBCCH)

– Широкий диапазон входного напряжения

– Стандартизованные интерфейсы

– Интегрированный держатель SIM-карты

– Набор инструментов для SIM-приложений

– Расширенный набор АТ-команд для промышленных приложений

Технические характеристики

Основные:

– .. Диапазоны частот: EGSM 900 и GSM 1800 МГц

– .. Соответствует фазе GSM 2/2+

– .. Выходная мощность: - Класс 4 (2Вт) для EGSM 900 МГц - Класс 1 (1Вт) для GSM 1800 МГц

– .. Управление AT-командами

– .. SIM Application Toolkit

– .. Интерфейс RS232 с поддержкой режима Multiplex

– .. Режим энергосбережения

– .. Диапазон напряжения питания 8 - 30В

– .. Габариты: 65х74х33 мм

– .. Вес: 130г

– .. Допустимая температура окружающей среды: -20°C - +55°C

Передача данных

– .. GPRS класс 8 (до 85,6 Кбит/с)

– .. Полная поддержка PBCCH

– .. Подвижная станция GPRS, класс B

– .. CSD до 14,4 Кбит/с

– .. USSD

– .. Непрозначный режим

– .. V.110

– .. Схемы кодировки CS1, 2, 3, 4

Факс

– .. Группа 3, класс 1, 2

SMS

– .. Point-to-point MO и MT

– .. SMS cell broadcast

– .. Текстовый и PDU формат

Аудио

– .. Half rate (HR)

– .. Full rate (FR)

– .. Enhanced full rate (EFR)

– .. Основные hands-free операции - подавление эха - шумоподавление

Дополнительные

– .. Телефонная книга

– .. Конференцсвязь

– .. Переадресация вызовов

– .. Часы с двухзонным представлением времени

– .. Управление звуковыми предупреждениями

– .. Несколько тоновых сигнала вызова

– .. DTMF (двухканальный многочастотный набор номера)

Интерфейсы

– .. Разъем для блока питания

– .. Аудио интерфейс телефонной трубки

– .. Считыватель SIM-карты

– .. Антенный коннектор FME (штырь)

– .. 9-контактное гнездо SUB-D последовательного интерфейса V.24/V.28

– .. Светодиод рабочего состояния

Примеры применения

«Умный дом» на базе системы Siemens MC35i Terminal

В новой линейке оборудования для умного дома Siemens MC35i Terminal применен в качестве модуля, который подключается к центральному контроллеру и позволяет удаленно управлять системой и всем домом, а также оповещать о срабатывании сигнализаций, событий.

С помощью системы реализуется управление следующими домашними системами:

– Освещение

– Энергоснабжение

– AV-техника

– Климатическая техника

– Система сигнализации, предотвращения затопления и протечек воды, канализации

– Система сигнализации и предотвращения утечек газа

– Электродвигатели

– Хозяйственные системы -- полив растений, подача воды и проч.

– Система безопасности и доступа

– GSM-cигнализация охранная и пожарная

– Система управление функциями системы

В рамках данной системы сотовый терминал Siemens MC35i Terminal позволяет реализовать следующие функции:

GSM cигнализация охранная

– мультизонная охрана

– одновременно включена функция экономии электроэнергии

– управление с пульта

– оповещение о срабатывании и состоянии на удаленные сотовые телефоны

– снятие и постановка с охраны с удаленного сотового телефона

GSM сигнализация пожарная

– мультизонная охрана

– управление с пульта

– оповещение о срабатывании и состоянии на удаленные сотовые телефоны

– снятие и постановка с охраны с удаленного сотового телефона

GSM управление всеми функциями системы

– удаленное включение освещения

– удаленное включение отопления

– удаленное управление кондиционерами

– удаленное включение электроприборов

– удаленное управление доступом

– удаленный запуск сценариев

– удаленная постановка и снятие с охраны

Организация сбора данных с газовых счётчиков

Основным полем деятельности в этом варианте является проектирование, монтаж и обслуживание газового оборудования:

– узлы учета газа

– узлы учета тепла (теплоцентры)

– автоматика контроля загазованности

В рамках проектов Siemens MC35i Terminal используется для подключения корректоров газа на узлах учёта газа на объектах города и области, для удобства съёма и передачи информации на диспетчерские пульты -- обслуживающей и инспектирующей организаций.

6 Обзор, выбор среды и разработка программного обеспечения

6.1 Современные SCADA-системы

SCADA сокр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition -- диспетчерское управление и сбор данных. Под термином SCADA понимают инструментальную программу для разработки программного обеспечения систем управления технологическими процессами в реальном времени (АСУ ТП) и удаленного сбора данных (телемеханика). Реже термин SCADA-система используют для обозначения программно-аппаратного комплекса сбора данных (телемеханического комплекса).

Основные задачи, решаемые SCADA-системами:

– Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, т.е. с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.

– Обработка информации в реальном времени.

– Отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме (HMI сокр. от англ. Human Machine Interface -- человеко-машинный интерфейс).

– Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.

– Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

– Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

– Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

– Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т.д.)

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределенной архитектуре (DCS сокр. от англ. Distributed Control System -- распределённая система управления).

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogiс. Некоторые прозводители объединяют в единый программный комплекс возможности SCADA и MES систем.

Термин SCADA эволюционировал вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами понимали любые программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. В 90-х годах термин SCADA больше используется для обозначения только программной части АСУ ТП. В некоторых странах синонимом термина SCADA является HMI, хотя данный термин сужает функциональные возможности SCADA-систем.

В России больше распространены SCADA-системы отечественного производства.

Отечественные SCADA-системы

– SCADA и MES-система InfinitySuite

– SCADA и SOFTLOGIC-система Trace Mode

– SCADA-система СТАТУС-4

– SCADA-система СПРИНТ

– SCADA-система MasterSCADA

– SCADA-система Круг 2000

– SCADA/HMI DataRate - программный продукт класса HMI (Human-Machine Interface)

– SCADA-система КАСКАД

– SCADA-система LanMon-3

Зарубежные SCADA-системы

– SCADA -система RealFlex

– SCADA/HMI-система InTouch

– Siemens SIMATIC WinCC

– SCADA/HMI-система GENESIS32

– SCADA/HMI-система I_Fix

– SCADA-система Citect

– Proficy HMI SCADA Cimplicity

– SCADA-система RealFlex

– Winlog SCADA software

– SCADA-системы компании Motorola: MOSCAD, ACE-3600

6.2 Технологии COM, ActiveX и OPC

COM (англ. Component Object Model -- Объектная Модель Компонентов; произносится как [ком]) -- это технологический стандарт от компании Microsoft, предназначенный для создания программного обеспечения на основе взаимодействующих распределённых компонентов, каждый из которых может использоваться во многих программах одновременно. Технология воплощает в себе идеи полиморфизма и инкапсуляции объектно-ориентированного программирования. Технология COM в принципе является универсальной и платформо-независимой, но закрепилась в основном на операционных системах семейства Windows. В современных версиях Windows COM используется очень широко. На основе COM также было создано множество других стандартов: OLE Automation, ActiveX, DCOM, COM+.

История COM

Стандарт COM был разработан в 1993 году компанией Майкрософт как основа для развития технологии OLE. Технология OLE 1.0 уже позволяла создавать т. н. «составные документы» (англ. compound documents): например, в пакете Microsoft Office эта технология позволяла включать диаграммы Microsoft Excel в документы Microsoft Word). Стандарт же COM должен был унифицировать процесс создания, внедрения и связывания таких внедряемых объектов, а также стандартизировать разработку приложений, использующих внедряемые объекты.

Путаница в названиях

В 1996 году Майкрософт попыталась переименовать технологию OLE в ActiveX, но это удалось лишь частично. Например, технология OLE позволяла создавать так называемые элементы управления OLE (англ. OLE Controls, или OCX) -- повторно используемые элементы пользовательского интерфейса, которые были построены на стандарте COM. Эти элементы управления OLE были переименованы в элементы управления ActiveX (англ. ActiveX controls), хотя расширение файлов «.ocx» за ними осталось. Затем Майкрософт стала активно продвигать ActiveX в Интернет, включив поддержку элементов ActiveX в свой популярный браузер Internet Explorer. В результате название OLE осталось только за технологией составных документов и локальных внедряемых объектов. А сетевые OLE-объекты стали называть по-новому -- ActiveX.

Некоторая путаница между понятиями OLE и ActiveX сохраняется и до сих пор, но речь идёт об одних и тех же COM-технологиях. Причём, иногда даже путают понятия OLE и COM. Так, внедряемые OLE-объекты иногда называют COM-объектами, а OLE-контейнеры COM-контейнерами, и т. п.

Принципы работы COM

Основным понятием, которым оперирует технология COM, является COM-компонент. Программы, построенные на технологии COM, фактически не являются автономными программами, а представляют собой набор взаимодействующих между собой COM-компонентов. Каждый компонент имеет уникальный идентификатор (GUID) и может одновременно использоваться многими программами. Компонент взаимодействует с другими программами через COM-интерфейсы -- наборы абстрактных функций и свойств. Каждый COM-компонент должен, как минимум, поддерживать стандартный интерфейс «IUnknown», который предоставляет базовые средства для работы с компонентом.

Windows API предоставляет базовые функции, позволяющие использовать COM-компоненты. Библиотеки MFC и, особенно, ATL/WTL предоставляют гораздо более гибкие и удобные средства для работы с COM. Библиотека ATL от Майкрософт до сих пор остаётся самым популярным средством создания COM-компонентов. Но, зачастую, COM-разработка остаётся ещё довольно сложным делом, программистам приходится вручную выполнять многие рутинные задачи, связанные с COM (особенно это заметно в случае разработки на C++). Впоследствии (в технологиях COM+ и особенно .NET) Майкрософт попыталась упростить задачу разработки COM-компонентов.

Развитие COM

Выпущенная в 1996 году технология DCOM (англ. Distributed COM -- распределённая COM) основана на технологии DCE/RPC (разновидности RPC) и является развитием COM. DCOM позволяет COM-компонентам взаимодействовать друг с другом по сети. Главным конкурентом DCOM является другая известная распределённая технология -- CORBA.

В составе Windows 2000 была выпущена технология COM+, которая расширяла возможности разработчиков COM-компонентов, предоставляя им некоторые готовые услуги, например:

– улучшенную поддержку потоков;

– доступ к контексту, в котором выполняется компонент (например, компоненты, используемые в ASP, могут с этой возможностью получить доступ к внутренним объектам той страницы, на которой они выполняются).

COM+ объединяет компоненты в так называемые приложения COM+, что упрощает администрирование и обслуживание компонентов. Безопасность и производительность -- основные направления усовершенствований COM+. Некоторые идеи, заложенные в основу COM+, были также реализованы в Microsoft .NET.

.NET и будущее COM

В 2002 году была официально выпущена платформа Microsoft .NET, которая на сегодняшний день объявлена Майкрософт рекомендуемой основой для создания приложений и компонентов под Windows. По этой причине в .NET включены и средства, позволяющие обращаться к компонентам COM из приложений .NET, и наоборот. По словам представителей Майкрософт, COM (точнее, COM+) и .NET являются отлично взаимодополняющими технологиями. Также известно, что Windows Vista построена с использованием технологий .NET и COM+.

6.3 OPC-сервер

Общие положения

OPC-сервер (OLE for Process Control) -- программная технология на базе Windows-технологий (OLE, ActiveX, COM/DCOM), предоставляющая единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами.

OPC-клиент. Правила игры заданы - OPC-сервер поставляет данные, OPC-клиент их потребляет. Этим определяется вторая категория пользователей спецификаций OPC - к ней относятся прежде всего те, кто реализует программное обеспечение более высокого уровня, например поставщики SCADA-пакетов или чего-то близкого по назначению.

Что же требуется от производителя “верхнего” ПО, если он задумал обеспечить свой продукт стандартным интерфейсом? Как и в предыдущем случае, ему надо получить нужную спецификацию и прилагаемые программные компоненты. Затем он должен изучить COM-интерфейсы тех COM-объектов этой спецификации, которые относятся в ней к модели OPC-клиента, и только после этого посадить за Visual Studio достаточно опытного программиста, чтобы тот с помощью ATL-библиотеки реализовал требуемые интерфейсы, а значит, и OPC-клиент для Custom-интерфейса. Можно использовать Visual Basic или, скажем, Delphi, и тогда будет создан OPC-клиент для интерфейса автоматизации (если она предусмотрена для данной спецификации). По-прежнему сэкономить на квалификации программиста помогает Toolkit.

Остальные потребители собирают системы из OPC-серверного оборудования и соединяют его с OPC-клиентным ПО. Главный фокус здесь - каждому OPC-серверу найти OPC-клиента и наоборот. Очень часто чего-то из них не хватает, и тогда не исключена вероятность перехода потребителя в категорию изготовителей, но чаще заказчиков OPC-продукции.

Чтобы лучше почувствовать, что такое OPC, рассмотрим подробнее главный по большому счету стандарт Data Access (DA), предназначенный для поставки оперативных данных от оборудования и/или к оборудованию (термин ОРС часто используют как синоним ОРС DA). Для DA реализованы спецификации как пользовательского интерфейса, так и интерфейса автоматизации. В качестве функционального интерфейса последний ничем не отличается от пользовательского, за исключением того, что не позволяет одновременно работать с несколькими OPC-серверами и к нему добавлен упомянутый выше COM-интерфейс IDispatch, обязательный в OLE Automation. Это позволило OPC Foundation издать “обертку” (wrapper) в виде dll, преобразующую один интерфейс в другой. Таким образом, разработчик ОРС-сервера заботится только о Custom-интерфейсе, а если клиент предпочитает интерфейс автоматизации, он использует эту библиотеку в качестве переводчика.

В 2003 году выпущена спецификация OPC DA версии 3.0.

Более интересно рассмотреть, с чем работает DA. Основной единицей данных в OPC является переменная (Item). Переменная может быть любого типа, допустимого в OLE: различные целые и вещественные типы, логический тип, строковый, дата, валюта, вариантный тип и т. д. Кроме того, переменная может быть массивом.

Каждая переменная обладает свойствами. Различаются обязательные свойства, рекомендуемые и пользовательские. Обязательными свойствами, понятно, обязана обладать каждая переменная. Это, во-первых, текущее значение переменной, ее тип и права доступа (чтение и/или запись). Во-вторых, очень важные свойства - качество переменной и метка времени. Технология OPC ориентирована на работу с оборудованием, а оборудование может давать сбои, так что корректное значение переменной не всегда известно OPC-серверу, о чем и уведомляется клиент через качество (хорошее/плохое/неопределенное и дополнительная информация). Метка времени сообщает о том, когда переменная получила данное значение и/или качество. Еще одним обязательным свойством является частота опроса переменной OPC-сервером, хотя его можно было бы и не относить к обязательным, так как не все OPC-серверы работают в режиме опроса оборудования. Последнее из обязательных свойств - описание переменной. Это строковое значение, содержащее информацию для пользователя о том, что представляет собой эта переменная.

Дополнительные свойства необязательны для OPC-сервера. Это, например, диапазон изменения (выход за границы диапазона должен специальным образом обрабатываться клиентом) и единица измерения. Есть перечень рекомендуемых свойств, но можно добавить и свои собственные, то есть пользовательские.

Существует три основных способа получения OPC-клиентом данных от OPC-сервера: синхронное чтение, асинхронное чтение и подписка. При синхронном чтении клиент посылает серверу запрос со списком интересующих его переменных и ждет, когда сервер его выполнит. При асинхронном чтении клиент посылает серверу запрос, а сам продолжает работать. Когда сервер выполнил запрос, клиент получает уведомление (через интерфейс соответствующего COM-объекта, реализованного в клиенте!). И, наконец, в случае подписки клиент передает серверу список интересующих его переменных, а сервер затем регулярно присылает клиенту информацию об изменившихся переменных из этого списка (опять же через интерфейс соответствующего COM-объекта клиента!). Эти списки в терминологии OPC называются группами. Каждый клиент может поддерживать одновременно много групп с разной скоростью обновления.

Запись данных ничем не отличается от чтения, за исключением того, что нет записи по подписке.

Технология OPC регламентирует только интерфейс между OPC-клиентами и OPC-серверами (как и положено в технологии клиент-сервер, допускаются множественные подсоединения). И она абсолютно не регламентирует способ получения этих данных от оборудования! Разработчик сам определяет, где и как их брать. Но тем не менее есть некоторые разумные, с точки зрения разработчиков OPC, модели взаимодействия с оборудованием. Для их рационального обслуживания предлагаются соответствующие механизмы. Например, можно попросить OPC-сервер получать данные не напрямую, а извлекать их из своего внутреннего буфера (кэша). Разумеется, если сервер не делает кэширования, он вправе эту просьбу проигнорировать.

Переменные в OPC-сервере могут быть представлены либо в виде простого списка, либо в виде дерева, напоминающего дерево файлов на диске (только вместо термина “папка” в OPC говорят “ветвь”). И есть соответствующие интерфейсы для навигации по этому дереву, позволяющие, в частности, в любой момент запросить дерево переменных, поддерживаемых OPC-сервером. Если оборудование допускает, дерево может изменяться динамически. Впрочем, если быть до конца точными, интерфейс для просмотра дерева объявлен в OPC-спецификации как необязательный. Тем не менее он настолько удобен, что практически все OPC-серверы его реализуют.

Кроме того, есть механизм оповещения о завершении работы OPC-сервера, запроса информации о самом сервере и списка зарегистрированных групп. В общем, разработчики OPC-спецификаций предусмотрели многое для облегчения организации взаимодействия поставщика данных (OPC-сервера) и потребителя данных (OPC-клиента). Однако цель этого раздела - описание не DA-интерфейсов, а того, как OPC ориентируется именно на работу с оборудованием, в частности на обмен данными.

Инструментарий

Как уже было сказано, чтобы создать OPC-сервер или OPC-клиент, нужно только взаимодействие с OPC Foundation (получить OPC-спецификации) и Microsoft (купить Visual C++ и пр.). Но очень много сложных вопросов придется решить при программировании OPC-интерфейсов.

Во-первых, само программирование COM не такое уж незатейливое, даже с применением ATL. Есть над чем подумать. Во-вторых, сами OPC-объекты и их OPC-интерфейсы достаточно сложны и громоздки. Так что придется потрудиться. И, в-третьих, надо решить вопросы системного уровня, затрагивающие фабрики класса (новый COM-термин!), заглушки и заместители, апартаменты (новый COM-термин!), асинхронный обмен, многозадачность, синхронизацию, память+ Кстати, проблема памяти весьма актуальна, так как в COM допускается (и сплошь и рядом в OPC используется) выделение памяти в сервере, а удаление ее возлагается на клиент. Малейшая неточность - и пойдут трудно устранимые утечки памяти. А поскольку OPC-сервер обычно должен работать стационарно, рано или поздно происходит крах системы.

Всего этого можно избежать, если воспользоваться специальным инструментарием разработчика. Есть достаточно много фирм, которые реализацию OPC-спецификаций избрали своим бизнесом. Они в той или иной степени уже “наступили на все грабли” и предлагают средства, позволяющие более-менее безопасно и легко создавать OPC-продукцию.

Типичный инструментарий представляет собой библиотеку, состоящую из OPC-объектов выбранной спецификации. Разработчику же, например, OPC-сервера предлагается некий набор вызовов, достаточно простых (read, write), которые необходимо “прицепить” к своему оборудованию для доступа к его данным. Для тех, кто знает объектное программирование, заметим, что эти функции могут быть реализованы как виртуальные функции некоторого класса, их нужно перегрузить в своем приложении.

OPC и интеграция

Теперь настало время взглянуть на OPC с точки зрения главной темы статьи. На рисунке представлена схема, иллюстрирующая возможные области применения OPC-серверов в АСУ предприятия. Мы различаем несколько уровней управления:

– нижний уровень - полевые шины (fieldbus) и отдельные контроллеры;

– средний уровень - цеховые сети;

– уровень АСУ ТП - уровень работы систем типа SCADA;

– уровень АСУП - уровень приложений управления ресурсами предприятия.

Каждый из этих уровней может обслуживаться OPC-сервером, поставляя данные OPC-клиенту на более высоком уровне или даже “соседу”.

Возможные области применения OPC-серверов в АСУ предприятия

Если имеется оборудование, например плата АЦП, управляемая через драйвер на компьютере с Windows или другой ОС, поддерживающей COM/DCOM, то это самый главный кандидат на реализацию OPC-сервера непосредственно поверх драйвера.

Замена устройства не потребует изменения остальных приложений: драйвер изменяется, но OPC-интерфейс поверх него остается прежним.

При наличии устройства, управляемого через какой-нибудь сетевой протокол, вполне возможна реализация OPC-сервера, получающего данные по этому протоколу. Единственная особенность - следует предусмотреть механизмы восстановления связи в случае сбоев.

Несколько более сложной будет схема при работе управляющих приложений на компьютере, не поддерживающем COM/DCOM. В этом случае применим двухкомпонентный OPC-сервер. На стороне ОС, не поддерживающей COM, устанавливается сетевой модуль, который, с одной стороны, связан с приложением(ями), а с другой - через сеть с OPC-сервером. Заметим, что сетевой модуль может быть стандартным, как, например, ISaNet в системе ISaGRAF. В этом случае необходимо разработать только OPC-сервер. По такому принципу функционирует OPC-сервер ISaGRAF фирмы “РТСофт” (www.rtsoft.ru). Иногда сетевой модуль создается специально для OPC-сервера. Возможна даже реализация, при которой этот модуль не ориентирован на конкретное приложение, а предоставляет некоторый API-интерфейс для любых приложений, желающих обслуживаться с помощью OPC. Так действует OPC-сервер для операционной системы OS-9, также разработанный в “РТСофт”.

Еще одна разновидность OPC-сервера - шлюз к сети полевой шины, такой, как Profibus или Lonworks. Реализация этой схемы очень похожа на предыдущие случаи. Скорее всего, на компьютере с ОС Windows будет установлен адаптер fieldbus-сети, а OPC-сервер будет взаимодействовать с этой сетью через драйвер адаптера. В Internet можно найти немало таких примеров.

Идея подобной схемы достаточно очевидна. Сеть полевой шины работает в жестком реальном времени, а OPC предоставляет менее требовательный шлюз к этой сети из приложений более высокого уровня.

Можно назвать много других мест применения OPC: для работы с базами данных в качестве вспомогательных или промежуточных OPC-серверов и т. д. Возможности для фантазии безграничны. Одну такую фантазию хотелось бы описать. Технология DCOM, как уже говорилось, не очень пригодна для глобальных сетей. Поэтому для привлечения к OPC-технологии Internet-технологий можно набросать такой путь. Расширение Web-сервера является OPC-клиентом, собирающим данные от OPC-серверов. А на стороне клиентов запускается динамическая html- или xml-страница, получающая данные от этого Web-сервера. Ее можно сделать даже OPC-сервером для других приложений.

Полезность применения OPC с точки зрения интеграции достаточно прозрачна и вытекает из самой сути OPC. Это стандарт на интерфейс обмена данными с оборудованием. Первое преимущество - если вы заменяете какой-нибудь компонент, то нет нужды корректировать другое ПО, так как даже при замене драйвера поверх него работает OPC. Второе - если вы хотите добавить в систему новые программы, нет необходимости предусматривать в них драйверы устройств, кроме OPC-клиента, разумеется. Ну и так далее.

Состояние дел

До сих пор мы описывали технологию и ее возможности. А каково же состояние дел с ее внедрением?

Идеальной была бы следующая картина. Все в мире признают OPC своим стандартом. При этом поставщики оборудования, в том числе полевых шин, снабжают выпускаемые продукты OPC-серверами, а поставщики программ для систем управления делают собственные продукты OPC-клиентами и во многих случаях еще и OPC-серверами. При этом и те и другие реализуют все спецификации и поддерживают все интерфейсы OPC. А все производители операционных систем встраивают в свои ОС технологии COM/DCOM, а также предоставляют сервисный инструментарий как для него, так и для OPC. И при этом все делается на высоком профессиональном уровне и очень грамотно рассказывается сборщикам систем, как это все собирать и конфигурировать. Вот тогда вопрос обмена данными в системах автоматизации можно было бы считать закрытым.

Но пока положение дел несколько иное. В настоящее время общепризнанным стандартом является только спецификация DA OPC, а остальные спецификации только начинают завоевывать себе место под солнцем. Не все спецификации завершены, по крайней мере, с точки зрения интерфейса автоматизации (например, для ОРС-Batch уже существует версия 2.0 custom-интерфейса, и только 1.0 - для интерфейса автоматизации. Для некоторых других спецификаций тоже существует отставание интерфейсов автоматизации от custom-интерфейсов; для ОРС Security спецификации на интерфейс автоматизации вообще не существует).

Соответственно широкое распространение получил лишь стандарт OPC DA. Можно сказать, что сейчас действительно очень многие производители снабжают свои продукты OPC DA серверами. Чего нельзя сказать о других спецификациях.

Среди программ высокого уровня аналогичная картина. Спросом пользуется лишь OPC DA. Все известные нам SCADA-продукты являются OPC-клиентами, например Wonderware InTouch, CiTect (Ci Technologies), а многие из них и OPC-серверами (в частности, CiTect). Другое ПО подвержено влиянию OPC в гораздо меньшей степени.

Из операционных систем технологию COM/DCOM поддерживают следующие:

– все Windows, начиная с Windows 95. Это обеспечивается самой компанией Microsoft;

– большинство Unix-подобных ОС, включая Linux; поддерживается фирмой GE Software;

– ОС реального времени VxWorks; обеспечивается фирмой-разработчиком WindRiver; имеется поддержка OPC, встроенная в систему разработки Tornado.

В других операционных системах, насколько нам известно, поддержки COM/ DCOM нет. Это не очень отрадный факт, поскольку разработчиков систем автоматизации в первую очередь интересуют ОС реального времени.

Перспективы

Итак, в настоящее время картина далеко не идеальна. Еще довольно много оборудования и ПО не охвачено OPC-технологиями. Даже технологией DA. Но нам представляется, что сейчас в мире налицо некий бум OPC, по крайней мере, в отношении опять же DA. Думается также, что Microsoft рано или поздно доведет все до желаемого уровня по всем направлениям. Тем более что альтернативных вариантов пока нет. Мы имеем в виду не COM/DCOM, а именно спецификации на обмен технологическими данными. Поскольку для COM/DCOM замена как раз имеется - CORBA. Это действительно изначально платформно-независимая технология взаимодействия приложений. Но это не обмен технологическими данными, реализующий более высокий уровень абстракции. Кстати, заметим, что на рынке имеются OPC-шлюзы к CORBA (это возможно, как и к любому другому протоколу).

Заключение

Технология OPC предлагает стандарты для обмена технологическими данными, в которые заложены самые широкие возможности. Учитывая большой авторитет вовлеченных в данную деятельность фирм, можно ожидать, что технология OPC будет набирать силу. Это перспективная технология для интеграции разнородных систем. Хотя процесс становления еще далеко не завершен и есть много проблем, которые предстоит решить.

7 Разработка функциональных схем и экспериментальная проверка системы

7.1 Функциональная схема системы АСТРК-СХК

Обобщая все вышеприведенное, можно предложить следующую функциональную схему системы АСТРК-СХК (рисунок 36). Датчики через контроллеры, например, типа ADAM (фирмы Advantech) непосредственно или через преобразователи интерфейсов RS-485 - RS-232 проключаются на модемы (обычный проводной модем и/или GSM-модем). В диспетчерских пунктах информация через подключенные через сопряжение RS-232 непосредственно к ПЭВМ модемы (также обычный проводной модем и/или GSM-модем) поступает в программную среду обработки данных, архивирования, протоколирования, подготовки отчетов и т. п.

Рисунок 31 - Функциональная схема системы АСТРК-СХК

Проблема выбора структуры и типа контроллеров подробно обсуждается в разделах 4 и 5. Здесь только отметим, что при минимизации числа датчиков и функций, выполняемых в среде нижнего уровня, контроллер может иметь минимальную конфигурацию, вплоть до одного-двух модулей ввода-вывода сигналов. Расширение количества датчиков и функций потребует включения в состав устройств на нижнем уровне процессоров для предварительной обработки информации, логических контроллеров, устройств сопряжения и конфигурирования, блоков питания, конструктивов, специальных модемных блоков для данного контроллера и т. п. Кроме того, такое расширение потребует принципиально другого программного обеспечения с передачей на нижний уровень ряда важных функций, вплоть до автономной работы этого узла.

Очевидно, что более детально это множество вопросов может быть изучено и решено на стадии рабочего проектирования, экспериментального исследования ряда схем структуры системы и разработки программного обеспечения.

Рисунок 32 - Аналог схемы доступа в системе с GSM-модемом



Рисунок 33 - Схема системы с каналами GSM-связи и с проводными модемами

7.2 Принцип работы схемы

Рисунок 34 - Принципиальная схема системы сбора информации с удаленных точек контроля

Принцип работы схемы:

– Датчик БДМГ-08Р используется в качестве измерительного преобразователя мощности полевой поглощенной дозы в частоту следования электрических импульсов.

– Данный сигнал с выхода датчика БДМГ-08Р подается на частотный вход модуля счетчика/частотомера, где преобразуется в стандартизированный сигнал RS-485 интерфейса.

– Поскольку GSM-модем обладает только RS-232 интерфейсом, то сигнал необходимо преобразовать с помощью преобразователя интерфейсов. После конвертации сигнала на выходе модуля № 3 имеем сигнал RS-232 интерфейса.

– GSM-модем подключается к преобразователю интерфейса с помощью стандартного RS-232 кабеля. GSM-модем, используя GSM как среду передачи данных, передает данные к удаленной диспетчерской точке с другим GSM-модемом.

– GSM-модем подключается к COM-порту (9pin) ПК с помощью стандартного RS-232 кабеля.

– На ПК с помощью любого доступного средства (специально разработанное программное обеспечение, конфигурационные утилиты (ограниченная функциональность) или SCADA-система) осуществляется сбор, обработка, анализ, хранение и представление в требуемом виде информации, полученной от удаленной точки сбора. Также со стороны ПК осуществляется управление удаленным модулем (задание значений тревожных границ, управление дисплеем и т.д.), а также управление оповещением необходимых лиц и служб в тревожных ситуациях.

7.3 Принципиальная схема системы АСТРК-СХК

Принципиальная схема для подключения оборудования представлена на рисунке 35.

Рисунок 35 - Принципиальная схема системы

7.4 Программа испытаний

План испытаний

– Подбор необходимого оборудования;

– Подготовка элементов питания;

– Предварительная настройка ПК, модулей ADAM и GSM-модемов с помощью ПК.

– Сборка схемы;

– Проверка работоспособности с помощью фирменной утилиты ADAM Utility Software;

– Установление связи между двумя GSM-модемами;

– Снятие информации с датчика с помощью специализированного ПО.

Исходные данные и оборудование

Список необходимого оборудования:

– Датчик БДМГ - 08Р 1 шт.;

– Модуль I/O ADAM 4080D 1 шт.;

– Конвертор ADAM 4520 1 шт.;

– GSM-модем Siemens MC35i Terminal 2 шт.;

– Sim - карта 2 шт.;

– Windows-based ПК 1 шт.;

– ADAM Utility Software 1 шт.

Подготовка элементов питания

Необходимо предусмотреть питание всех элементов системы согласно таблицы 14

Таблица 14 - Питание элементов схемы

Элемент системы	Параметры питающего элемента
Датчик	+12 VDC
Модуль I/O ADAM 4080D (подробно процесс подключения описан в ADAM-4000 Manual.pdf, стр. 2-3)	Стандарт: +24 VDC. Гарантируется работа в диапазоне +10 and +30 VDC
Конвертор ADAM 4520 (подробно процесс подключения описан в ADAM-4000 Manual.pdf, стр. 2-3)	Стандарт: +24 VDC. Гарантируется работа в диапазоне +10 and +48 VDC
GSM-модем Siemens MC35i Terminal	8-30 В, (блок питания поставляется)

Предварительная настройка ПК, модулей ADAM и GSM-модемов с помощью ПК

Все беспроводные терминалы Siemens оснащены последовательным интерфейсом RS232. Как и обычный модем, беспроводный терминал может быть подключен к любому RS232-устройству (ПК, регистратор данных, GPS и т.п.) для организации беспроводного соединения.

Пошаговое руководство настройки беспроводного терминала для удаленного доступа к устройству с последовательным интерфейсом.

– Запустите на ПК соответствующую коммуникационную программу, например, Hyperterminal.

– Укажите номер COM-порта, к которому подключен модем. В нашем примере это COM24.

– Настройте параметры порта. Например, скорость (бит/с) «9600», биты данных «8», четность «Нет», стоповые биты «1», управление потоком «Нет».

Рисунок 36 - Настройка параметров модема

– Убедитесь, что GSM-модем включен и подсоединен к соответствующему COM-порту компьютера, и к модему подключена антенна.

– Вставьте SIM-карту с активированной услугой сотового оператора «Передача данных по стандартному каналу» (CSD).

– Спустя примерно 15 секунд, дайте команду AT+COPS? Вы должны получить отклик, содержащий название провайдера услуг сотовой связи. Это означает, что устройство зарегистрировано в сети.

– Теперь можно приступать к настройке. Запустите команду ATS0=1, чтобы установить устройство в режим автоответа после первого звонка.

– Если на вашем устройстве не присутствует протокол DTRii (Data Terminal Ready), необходимо запустить команду AT&D0, чтобы отключить DTR-обнаружение терминала. Если вы этого не сделаете, терминал может не дать автоответа.

– Необходимо настроить последовательный порт терминала на ту же скорость передачи, что и подключаемое устройство. Например, чтобы установить скорость 9600 бит/с, используйте команду AT+IPR=9600. Если на шаге 3 вы указали значение скорости порта отличное от заданного на шаге 9 командой IPR, то после исполнения IPR вы не сможете осуществлять соединение с GSM-терминалом через программу Hyperterminal. Вам потребуется переконфигурировать Hyperterminal на скорость, на которую вы настроили терминал Siemens (например, 9600 бит/с).

– Сохраните текущие настройки терминала в пользовательском профиле командой AT&W. Пользовательские настройки хранятся в энергонезависимой памяти терминала и будут автоматически восстановлены после включения питания. Для возврата к заводским установкам терминала используйте команду AT&F. Для возврата к пользовательским установкам, сохраненным командой AT&W, воспользуйтесь командой ATZ.

– Выключите терминал командой AT^SMSOi. Теперь отключите блок питания от сети и подключите снова. После регистрации в сети модем работает с ранее заданными настройками и задавать команды инициализации больше не нужно.

– Для установления соединения и осуществления передачи данных выполните команду набора номера ATD. Пример - ATD80951111111. Для голосового соединения (подключите телефонную трубку с разъемом RJ-11 4P4C) укажите символ «;» в конце команды - ATD80951111111;. Для приема входящих вызовов, не имеющих оповещения по сети о режиме передачи данных, например при схеме с одним избирательным номером для всех типов вызовов или при вызовах с аналоговых устройств используйте команду AT+CSNS=4 - режим приема «Данные» для всех вызовов поступающих без указания типа вызова.

Для подключения терминала к вашему оборудованию вам потребуется интерфейсный кабель. Если ваше оборудование предназначено для работы с модемом, возможно оно оснащено таким же разъемом, что и ПК, и вы сможете использовать стандартный модемный кабель. Однако если последовательное устройство предназначено для подключения к ПК (оснащено таким же разъемом, что и модем) вам потребуется «cross over» кабель.

Теперь вы можете соединить терминал и ваше последовательное устройство и организовать удаленное последовательное соединение с вашим устройством с помощью звонка на номер для передачи данных вашего терминала.

Остальные устройства настраиваются на скорость GSM-модема.

Настройка модемов и связи с помощью программы GSM-Manager 1.0

Рисунок 37 - Модем Siemens МC 35i

– О программе GSM-Manager 1.0

Программа GSM-Manager предназначена для работы с сотовыми терминалами фирмы Siemens серии TC35 (TC35i) и MC35 (MC35i), а также стационарными сотовыми телефонами серии TSS-717, подключенными к компьютеру.

С ее помощью Вы можете принимать и осуществлять звонки на сотовые и обычные телефоны, принимать, просматривать и передавать SMS-сообщения, принимать и передавать на другие компьютеры, к которым подключены аналогичные терминалы или телефоны, любые файлы. Причем, для передачи файлов с помощью программы не требуется подключение к Интернет.

– Звонок абоненту

Для звонка абоненту необходимо сначала указать номер его телефона в поле "Номер телефона", а затем нажать кнопку "Набрать номер"...

Рисунок 38 - Программма GSM-Manager 1.0

Для быстрого набора и поиска номера абонента, которому необходимо позвонить, можно использовать "телефонную книжку" программы ...

Рисунок 39 - Набор номера

– Прием входящего звонка

Рисунок 40 - Программма GSM-Manager 1.0

– Запись номера абонента в "телефонную книжку" программы

Для быстрого поиска и набора номера его можно занести в "телефонную книжку" программы. Записи "телефонной книжки" сохраняются в файле numbers.txt (в папке с файлами программы на жестком диске компьютера).

Рисунок 41 - Программма GSM-Manager 1.0

– Удаление номера абонента из "телефонной книжки" программы

Рисунок 42 - Удаление номера абонента

– Передача SMS-сообщения

Для передачи на какой-либо сотовый телефон или терминал SMS-сообщения необходимо сначала набрать номер этого телефона, затем - текст сообщения, а затем нажать кнопку "Послать SMS" ...

Рисунок 43 - Отправка SMS

Для быстрого набора и поиска номера абонента, которому необходимо послать SMS-сообщение, можно использовать "телефонную книжку" программы.

Рисунок 44 - Телефонная книга

– Прием входящего SMS-сообщения

Рисунок 45 - Работа с SMS

– Просмотр журнала поступивших SMS-сообщений на SIM-карте

После поступления SMS-сообщения на терминал оно сохраняется в памяти SIM-карты, установленной в терминале. Для просмотра журнала поступивших SMS-сообщений на SIM-карте необходимо нажать кнопку "Читать SMS".

Рисунок 46 - Чтение SMS

– Передача файла

Для передачи файла на какой-либо компьютер, на котором установлена программа GSM-Manager и к которому подключен сотовый терминал, достаточно указать номер этого терминала и файл, который необходимо передать.

Рисунок 47 - Передача файла

– Прием файла

Рисунок 48 - Прием файла

– Задание настроек программы

Настройки программы GSM-Manager задаются очень просто. При первом запуске программы после ее установки на экране появляется специальное окно в полях которого нужно указать номер COM-порта, к которому подключен терминал и скорость обмена данными для этого COM-порта (из списка возможных значений), а также ввести PIN-код для SIM-карты (при необходимости).

Рисунок 49 - Настройки программмы GSM-Manager 1.0

После того, как на экране появится окно программы, Вы можете задать другие настройки. В частности - язык интерфейса программы (английский или русский) ...

Рисунок 50 - Выбор языка

Для того чтобы с помощью программы GSM-Manager можно было принимать и посылать SMS-сообщения необходимо указать телефонный номер центра SMS.

Рисунок 51 - Задание номера SMS-центра

Если с помощью программы необходимо обмениваться файлами с другими компьютерами, к которым подключены сотовые терминалы, необходимо задать настройки передачи данных. В окне задания настроек передачи данных достаточно указать папку на жестком диске Вашего компьютера, в которую будут помещаться доставленные файлы, а также указать с каких терминалов разрешается получать файлы, передаваемые по сотовым каналам передачи данных

Рисунок 52 - Обмен файлами

На этом задание настроек заканчивается и Вы можете приступать к работе с программой.

Установление связи между двумя GSM-модемами

С помощью AT-команд модема устанавливаем связь между двумя GSM-модемами. (см. инструкции по АТ-командам модема Siemens MC35i Terminal). Аналогичным образом устанавливается связь при использования обычных модемов.

Проверка работоспособности с помощью фирменной утилиты ADAM Utility Software

После физического создания линии связи, используя программный продукт ADAM Utility Software, установить связь с модулем и проверить передачу данных, руководствуясь стр. 2-2, 2-10 (см. инструкции по эксплуатации модулей серии ADAM 4000).

Проведем испытания неизолированного входа. Подадим на вход модуля импульсы с частотой от 1 до 60 кГц и амплитудой 3 В и периодом 1 мс. Длительность также будем изменять в пределах от 1 мкс до 1 мс. После исследования характеристик модуля ADAM-4080D, было установлено, что они отвечают заявленным, т.е. модуль устойчиво работает при следующих параметрах входного сигнала:

– Минимальная длительность импульса - 0,6 мкс;

– Максимальная длительность импульса - 0,97 мс;

– Минимальная частота - 7 Гц;

– Максимальная частота - 59 кГц;

Снятие информации с датчика с помощью специализированного ПО

Проведем данную процедуру в соответствии с приложением А.

8 Безопасность и экологичность работы

В данном разделе рассматривается возможное влияние используемого оборудования, энергии, и условий работы на человека и окружающую среду; техника безопасности при работе с оборудованием и действия при чрезвычайных ситуациях.

В качестве производственного помещения рассматривается аудитория, в которой установлен персональный компьютер.

8.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Опасные и вредные производственные факторы, по своей природе воздействия, делятся на физические, химические, биологические и психофизиологические (ГОСТ 12.0.003-74 “Опасные и вредные производственные факторы”).

На оператора ЭВМ на рабочем месте могут оказывать влияние следующие физические факторы:

– электромагнитные поля;

– рентгеновское излучение дисплея компьютера;

– недостаточное освещение рабочего места;

– микроклимат, не соответствующий санитарным нормам;

– шум;

– электрический ток.

и психофизиологические факторы:

– монотонность труда;

– умственное перенапряжение;

– перенапряжение анализаторов;

– эмоциональные перегрузки.

Излучение дисплея компьютера

Монитор является источником рентгеновского излучения и электромагнитного поля сверхнизкой, низкой и высокой частот.

Ионизирующее излучение, воздействуя на объект, в частности, на клетки человека, вызывает их повреждение за счет образования ионов. Эти повреждения могут быть летальными, когда клетка погибает, и сублетальными, когда клетка выживает, но информация, "зашитая" в нее, портится. Такие клетки могут быть источником возникновения рака. По СанПин 2.2.2/2.4.1340-03:

– мощность экспозиционной дозы мягкого рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана и корпуса ВДТ (на электронно-лучевых трубках) не должна превышать 1*10-6 Зв/ч (100 мкР/ч),

Источник электромагнитного поля на рабочем месте - система формирования изображения. Диапазон частот 5 Гц - 400 кГц. Наибольшее значение напряженности электромагнитного поля наблюдается у задней и боковых стенок монитора. Согласно СанПин 2.2.2/2.4.1340-03:

– напряжённость электромагнитного поля по электрической составляющей в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц не должна превышать 25 В/м;

– напряжённость электромагнитного поля по электрической составляющей в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц не должна превышать 2,5 В/м;

– плотность магнитного потока в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц не должна превышать 250 нТл;

– плотность магнитного потока в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц не должна превышать 25 нТл;

– поверхностный электростатический потенциал не должен превышать 500 В.

Согласно спецификации производителя - фирмы Samsung, мониторы которой используются в составе ЭВМ в лаборатории, модель монитора SyncMaster 550b соответствует стандарту TCO'99 Шведского государственного департамента охраны труда. Этот стандарт предусматривает нормирование не только мягкого рентгеновского излучения, но и всех видов электромагнитного излучения монитора для видов работ связанных с постоянной работой за компьютером. В настоящее время стандарт ТСО'99 признан самым строгим стандартом в мире нормирующим вредные факторы при работе с ЭВМ. Согласно ТСО'99:

– поглощённая доза излучения не должна превышать 300 нГр/ч,

– напряжённость электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см от видеомонитора не должна превышать 1 В/м,

– напряжённость электромагнитного поля по магнитной составляющей на расстоянии 50 см от видеомонитора не должна превышать 0,3 А/м,

– электростатический потенциал на расстоянии 10 см от видеомонитора не должен превышать 0,5 кВ.

Шум

Шум является одним из наиболее распространенных в производстве вредных факторов. Проявление вредного воздействия шума на организм человека разнообразно: так шум с уровнем звукового давления 80 дБ затрудняет разборчивость речи, вызывает снижение работоспособности и мешает нормальному отдыху, длительное воздействие шума с уровнями звукового давления 100--120 дБ на низких частотах и 80- 90 дБ на средних и высоких частотах может вызвать необратимые потери слуха (тугоухость), характеризуемые постоянным изменением порога слышимости, а шум с уровнем звукового 120-140 дБ способен вызвать механическое повреждение органов слуха. Импульсные и нерегулярные шумы обладают большой степенью воздействия на состояние человека.

Действие шума не ограничивается воздействием только на органы слуха. Через нервные волокна шум передается на центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма.

Повышенный шум вызывает трудности в распознавании цветных сигналов, снижает быстроту восприятия цвета, остроту зрения, зрительную адаптацию, нарушает восприятие визуальной информации, снижает способность быстро и точно выполнять координированные движения, уменьшает на 5-12% производительность труда. Длительное воздействие шума с уровнем звукового давления 90 дБ снижает производительность труда на 30-60%.

Уровень звука на рабочем месте оператора не должен превышать 50дБА.

Шум на рабочих местах может создаваться внутренними источниками: техническими средствами, устройствами кондиционирования воздуха, компрессорами, вентиляторами ЭВМ преобразователями напряжения и другим оборудованием.

Рациональной мерой является уменьшение шума в источнике (вентилятор ЭВМ), акустическая обработка рабочего помещения.

Производственные помещения, в которых для работы используются ЭВМ не должен граничить с помещениями, в которых уровни шума и вибрации превышают нормируемые значения.

Электробезопасность

Помещение лаборатории согласно ПУЭ является помещением с повышенной опасностью электропоражения, т.к. имеется возможность одновременного прикосновения человека к металлическим корпусам электрооборудования и имеющим хороший контакт с землей металлоконструкциям, батареям отопления. В лаборатории применяется схема электропитания с глухозаземленной нейтралью. По периметру помещения проложен контур заземления с паспортным измеренным сопротивлением заземления Rз=1.5 Ом, удовлетворяющим требования ГОСТ 12.1.030-81 “Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление”.

Персональные компьютеры относятся к классу 1 по способу защиты человека от поражения электрическим током. То есть это “изделия, имеющие, по крайней мере, рабочую изоляцию и элемент заземления”. Шнуры электропитания содержат отдельную жилу заземления, и вилку, предназначенную для включения только в розетки, имеющие контакт заземления.