Технология удаленного доступа

Помимо передачи речевой информации по средствам сотовой связи стандарта GSM можно пользоваться рядом других услуг. Например, передачу коротких сообщений, мультемедийных сообщений, выход в интернет при помощи системы пакетной радиосвязи. Рассмотрим по подробнее сервис передачи коротких сообщений.

Сервис передачи коротких сообщений (Short Message Service -- SMS) является основной услугой, которая позволяет абонентам обмениваться короткими текстовыми сообщениями. Считается, что первое короткое текстовое сообщение было передано в 1992 г. по каналам тональной частоты в европейской системе GSM. Сервис передачи коротких сообщений дает возможность обмениваться короткими текстовыми сообщениями с подвижных станций и других устройств, соединенных с сетью. Изначально целью разработки сервиса SMS было предоставление возможности двум мобильным абонентам обмениваться ограниченным объемом информации. Но, именно эти ограничения стали толчком к разработке услуг, еще более привлекательных для пользователя, начиная от загрузки «рингтонов» (мелодии звонка) - до таких профессиональных приложений, как дистанционный контроль или отслеживание транспортных средств. Примеры использования сервиса передачи коротких сообщений, являются стандартными приложениями на базе SMS, включая пользовательские, корпоративные и операторные.

Элементы, могущие посылать или принимать короткие сообщения, называются элементы короткого сообщения (Short Message Entities -- SME). SME может быть программным обеспечением, установленным на мобильном телефоне, а также на аппарате факсимильной связи, на удаленном сервере сети Интернет и т. д. Для нормального функционирования сотового телефона в мобильной сети необходимо произвести его конфигурацию. SME может быть сервером, который соединен с центром SMS напрямую или через шлюз. Такой SME называют External (внешний) SME (ESME). Обычно SME является WAP proxy/server (сервером-посредником), шлюзом Email или сервером голосовой почты. При обмене короткими сообщениями SME, который создает и отправляет короткие сообщения, называют SME-отправителъ (originator SME), a SME, который получает сообщения, -- SME-получатель (recipient SME). Сервисный центр (Service center -- SC), или центр SMS (SMS Center -- SMSC) играет ключевую роль в архитектуре SMS. Основные функции SMSC -- ретрансляция коротких сообщений между разными SME и их передача с буферизацией (store-and-forwarding), то есть промежуточное накопление сообщений в случае, если получатель в это время недосягаем. SMSC может быть интегрированной частью мобильной сети (например, интеграция с MSC) или быть независимой сетевым элементом. SMSC может размещаться вне сети и управляться третьей стороной.

Сетевые операторы сейчас практикуют приобретение одного или несколько SMSC, так как SMS считается очень популярным сервисом, который предоставляется любой мобильной сетью.

Отправление и доставка короткого сообщения

Основной сервис SMS -- отправление и доставка короткого сообщения. Исходящие сообщения -- это сообщения, переданные с MS на SMSC. Данные сообщения адресованы другим SME, как, например, другой абонент сотовой связи или хост сети Интернет. SME-отправитель может указать определенный срок для короткого сообщения, по истечении которого сообщение считается недействительным. Такое сообщение может быть удалено SMSC во время передачи. Сообщения для мобильного адресата -- это сообщения, переданные с SMSC на MS. Почти все мобильные телефоны GSM поддерживают прием сообщений. Эта функция также называется SM-MT (Short Message Mobile Terminated -- входящие короткие сообщения для мобильной среды). Передача исходящих и входящих коротких сообщений может осуществляться даже во время сеансов речевой связи или передачи данных. SME-отправитель может запросить выполнение отчета о состоянии (Status Report) после того, как SME-получатель примет сообщение. Отчет о состоянии информирует отправителя, было ли его сообщение успешно принято SME-получателем. Функция тракта с ответом (Reply Path) используется SME-отправителем (или обслуживающим SMSC) для того чтобы узнать, готов ли обслуживающий SMSC сразу же передать ответ от SME-получателя на принятое им сообщение. В этом случае SME-получатель сразу передает ответное сообщение на SMSC, который передал исходное сообщение. Иногда эта функция используется сетевыми операторами для того, чтобы получатель сообщения мог «бесплатно» отправить ответ на него.

Помимо этого иногда в сетях, поддерживающих несколько SMSC, операторы используют эту функцию с тем, чтобы ответные сообщения пришли на определенный SMSC. Например, оператор связи может иметь несколько SMSC, но только один из них соединен со шлюзом Email. При такой конфигурации, если сообщение исходит из домена сети Интернет, оператор использует функцию тракта с ответом, чтобы любое ответное сообщение на исходное сообщение Email передавалось на тот SMSC, который соединен со шлюзом Email. В такой схеме с SMSC можно делать соответствующие запросы на шлюз Email для преобразования ответных сообщений в формат сообщений Email и их отправке получателям электронной почты.

Стек протоколов SMS состоит из четырех уровней: прикладной уровень (application layer), транспортный уровень (transfer layer), уровень ретрансляции (relay layer) и канальный уровень (link layer). Приложения на базе SMS напрямую зависят от транспортного уровня. Следовательно, любому разработчику прикладных программ, которые опираются на сервис SMS, необходимо усовершенствовать транспортный уровень.

Прикладной уровень (application layer) реализован в сервисе SMS в виде программного обеспечения, позволяющего отправлять, принимать и интерпретировать контент сообщения SMS (например, редактор сообщений, игры и т. д.). Прикладной уровень также называют SM-AL (Short-Message-Application-Layer).

На транспортном уровне (transfer layer) сообщение SMS рассматривается как последовательность октетов (8 бит), в которой содержится такая информация, как длина сообщения, адрес отправителя и получателя, дата получения и т. д. Транспортный уровень называют SM-TL (Short-Message-Transfer-Layer).

На уровне ретрансляции (relay layer) сообщение передается между различными сетевыми элементами. Информация может какое-то время храниться на каком-либо сетевом элементе, если следующий элемент, которому предназначено сообщение, временно недоступен. На уровне ретрансляции MSC выполняет две дополнительные функции помимо своей основной задачи центра коммутации. Выполняя первую функцию, он выступает в роли шлюза -- SMS gateway (шлюзовой) MSC (SMS-GMSC), в задачи которого входят получение сообщения от SMSC и отправка запроса на HLR для получения данных маршрутизации и другой информации, необходимой для дальнейшей передачи сообщения в сеть получателя. В качестве второй функции он представляет собой SMS Inter/Working (взаимодействующий) MSC (SMS-IWMSC), принимая сообщения из мобильной сети и передавая их обслуживающему SMSC. Канальный уровень (link layer) обеспечивает передачу сообщения SMS на физическом уровне. С этой целью сообщение защищено от ошибок канала с низким уровнем сигналов. Канальный уровень также называют SM-LL (Short-Message-Link-Layer). В плане восприятия абонента сообщение (message) обозначает послание, которое состоит из текста и/или таких элементов, как рисунки, мелодии и т. д. Учитывая ограничения на транспортном уровне, для передачи сообщения может возникнуть необходимость разбить его на части с помощью прикладной программы. Несколько частей одного сообщения называют сегментами сообщения (message segments). Сообщение, состоящее из одного сегмента, называют коротким сообщением. Сегмент сообщения является элементом, которым управляют на уровне прикладной программы. Сегмент сообщения имеет ограниченный размер полезной нагрузки (payload). Для того чтобы передать большой объем данных, несколько сегментов сообщения объединяют в конкатенированное сообщение (concatenated message) В некоторых документах, относящихся к SMS, конкатенированное сообще-ние еще называют длинным сообщением.. Конкатенация (объединение) сообщения выполняется на прикладном уровне. Для передачи cсообщения его сегменты должны быть отображены в TPDU Это структуры данных, которые передаются в обоих направлениях между SIM- картой и CAD или ME на транспортном уровне.

Глава 2. Обеспечение автоматизированных систем управления

удаленного промышленного объекта

2.1 Реализация технологии удаленного доступа

Удаленный доступ в автоматизированных системах управления организуется путем создания систем телемеханики и систем телеметрии. Телемеханика, область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Телемеханика отличается от других областей науки и техники, связанных с передачей информации на расстояние (телефония, телеграфия, телевидение и др.), рядом специфических особенностей, необходимость высокой точности передачи измеряемых величин (до 0,1%); недопустимость большого запаздывания сигналов; высокая надёжность передачи команд управления; высокая степень автоматизации процессов сбора и использования информации; централизованность переработки информации.

Указанные особенности обусловлены спецификой задач, решаемых телемеханикой. Как правило, телемеханизация применяется тогда, когда необходимо и целесообразно объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, ж. -д. узлом, сетью метеостанций) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (вследствие того, что работа на объекте сопряжена с риском для здоровья -- например, в атомной промышленности, на некоторых химических предприятиях) или невозможно (из-за недоступности объекта управления -- например, при управлении непилотируемой ракетой, луноходом). Любой процесс управления включает собственно управление, то есть воздействие на объект с целью изменения его состояния (положения в пространстве, значений его параметров), и контроль за состоянием объекта. Управление и контроль с помощью средств телемеханики осуществляются обычно с пункта управления (ПУ) или диспетчерского пункта (ДП), где находится оператор (диспетчер). Объекты управления могут быть сосредоточены в одном месте, на одном контролируемом (управляемом) пункте (КП) либо рассредоточены, то есть расположены по одному или группами (на нескольких КП) на большой территории (в пространстве). Расстояние между КП и ПУ может быть от нескольких десятков (например, при управлении строительным краном) до десятков и сотен тысяч км (например, при управлении автоматической межпланетной станцией).

Совокупность устройств, посредством которых с помощью человека-оператора осуществляется управление объектами и контроль за их состоянием на расстоянии, называется телемеханической системой (ТМС). Соответственно системы телемеханика, выполняющие функции только управления и только контроля, называются системами телеуправления (ТУ) и телеконтроля (ТК). Частично в телемеханической системе управляющие воздействия могут вырабатываться управляющим автоматом (например, для автоматического аварийного отключения оборудования, подключения нагрузок к энергосистеме, управления устройствами по заранее заданной программе и т. п.).

При ТУ команды управления передаются оператором (диспетчером) с ПУ или ДП по каналу связи на объекты (к КП). Команды формируются оператором на пульте управления с помощью органов ручной коммутации (тумблеров, переключателей, кнопок). С ПУ в линию связи поступает кодированный сигнал, обычно в виде последовательности импульсов с определёнными признаками.

Из-за необходимости обеспечивать высокую надёжность передачи команд управления в ТУ применяются специфические методы кодирования, а также методы обнаружения и исправления ошибок с помощью квитирования сигналов (повторения сигналов по обратному каналу).

При приёме кодовая посылка преобразуется в управляющее воздействие на соответствующий исполнительный механизм (например, в простейшем случае -- на реле, включающее двигатель). При ТК информация передаётся в обратном направлении -- от объекта (с КП) к оператору (на ПУ или ДП). Контрольная информация о состоянии объекта поступает обычно с измерительных преобразователей (датчиков), реагирующих на изменения параметров объекта.

Сообщения, передаваемые системой ТК, обычно содержат информацию двух видов: сигнализирующую, дающую качественную оценку состояния как отдельных органов управления объекта («включено», «выключено», «открыто» и т. д.), так и объекта в целом («стоит», «движется», «вверху», «внизу» и др.), а также параметров, характеризующих объект («норма», «меньше нормы», «больше нормы», «авария» и др.), и измерительную, дающую количественную оценку контролируемого параметра (например, температуры, давления, напряжения в электрической цепи, угла поворота вала и т. д.). Поэтому и соответствующие процессы ТК называются телесигнализацией (ТС) и телеизмерением (ТИ).

Для чёткой, надёжной работы оператора необходимо переданную и принятую информацию представить в виде, наиболее удобном для восприятия её человеком. Для этого на ПУ используются различные сигнализаторы, индикаторы, устройства регистрации.

Для обеспечения независимой передачи (и приёма) многих сигналов по одному каналу связи в телемеханике применяется так называемое разделение сигналов, при котором сигналы сохраняют индивидуальные свойства и не искажают друг друга. Из множества способов разделения сигналов в телеметрии обычно применяется разделение по времени (каждому объекту отводится определённый интервал времени), по частоте (для каждого объекта устанавливается своя полоса частот), смешанное -- частотно-временное (например, для КП -- частотное, а для объектов в рамках одного КП -- временное) и адресное (каждому КП присваивается адрес, и все сообщения обязательно начинаются с кода адреса выбранного КП).

2.2 Технологическое обеспечение Автоматизированной системы

управления с удаленным промышленным объектом

Современная Автоматизированная система управлением технологическим процессом в основе представляет собой систему телемеханики, которая должна обеспечивать следующие основные задачи:

текущий контроль и управление состоянием отдельных блоков и узлов основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего функционирование промышленного объекта;

текущий контроль и управление параметров процессов в отдельных технологических сечениях;

комплексный контроль и управлением процессом в отдельных группах технологического оборудования;

обеспечение своевременной сигнализации о возникновении аварийных ситуаций.

По возможности комплекс системы телемеханики должен в наиболее полной степени обеспечивать формирование и выдачу управляющих сигналов для изменения значений параметров оборудования в соответствии с алгоритм функционирования отдельных блоков или всего промышленного объекта. Для эффективной реализации основных задач системе телемеханики необходим инструмент, позволяющий получать достоверную и оперативную информацию об объекте управления, этим инструментом является система телеметрии или информационно-телеметрическая система.

Отличительная особенность современных информационно-телеметрических систем и комплексов состоит в том, что они обеспечивают одновременную передачу большого числа измеряемых величин на одной несущей частоте (по одному каналу связи). Такие системы передачи информации называются многоканальными. Количество каналов телеметрической системы определяется числом независимых информационных входов. Обобщенная структурная схема информационно-телеметрического комплекса (ИТК) представлена на рис. 2.1. Из рисунка видно, что ИТК состоит из совокупности датчиков Д1, Дn, информационно-телеметрической системы, включающей в себя бортовую и приемно-регистрирующую аппаратуру и аппаратуру обработки телеметрической информации.

Рис. 2.1 Иинформационно-телеметрический комплекс

Телеметрируемые параметры лt(t), лN(t) с помощью измерительных преобразователей (датчиков) Д преобразуются в первичные электрические сигналы. Между датчиками и входами ИТС в ряде случаев включаются согласующие устройства. Они обеспечивают нормализацию сигналов и согласование выходных сопротивлений датчиков с входными сопротивлениями каналов. Нормализация означает преобразование различных электрических сигналов в напряжение постоянного тока, пределы изменения которого обычно составляют 0-6,2 В.

Вместе с тем существуют системы, где информационные каналы рассчитаны на малый входной сигнал порядка десятков и сотен милливольт. Переход к сигналам низкого уровня позволяет существенно снизить вес, а иногда и уменьшить потребляемую мощность бортовой аппаратуры. Первичные сигналы от датчиков затем объединяются в групповой телеметрический сигнал (ГТС) на основе принципов частотного, временного или кодового разделения канальных сигналов. При частотном разделении каналов (ЧРК) каждому сообщению отводится своя, не перекрывающаяся с другими каналами, полоса частот. При временном разделении каналов (ВРК) сообщения передаются поочередно. Каждому сообщению периодически предоставляется некоторый временной интервал, в пределах которого осуществляется передача одного значения измеряемой величины.

При кодовом разделении каналов (КРК) каждое из сообщений наделяется определенным кодовым признаком. Очевидно, при любом из указанных способов формирования ГТС должно обеспечиваться минимальное взаимное влияние каналов. Многоканальные системы передачи информации являются системами с многоступенчатой модуляцией. На первой ступени каждый из первичных сигналов модулирует свое поднесущее колебание (гармоническое - при ЧРК, импульсное - при ВРК, кодовое - при КРК). На второй ступени осуществляется модуляция групповым сигналом одного из параметров высокочастотного несущего колебания. Модулированный радиосигнал далее излучается антенной в пространство. Вместе с информационными сообщениями в групповом сигнале передается также служебная информация: сигналы синхронизации, «командное слово», или сведения, необходимые для декодирования ГТС при приеме, сигналы бортового времени, калибровочные уровни и другие вспомогательные данные. ГТС с помощью маркерных сигналов разделяется на кадры.

Приемно-регистрирующая аппаратура обеспечивает прием, селекцию, декодирование, регистрацию и отображение телеметрической информации. Принятый сигнал с выхода приемника поступает в устройство селекции и декодирования. Здесь осуществляется выделение части телеметрических сигналов, которые поступают в устройство визуального отображения данных. Этим достигается возможность оперативного контроля наиболее важных ТМП в темпе приема информации. Одновременно весь поток принимаемых данных после необходимых преобразований поступает на вход регистрирующего устройства.

При частотном разделении каналов селекция отдельных сообщений из группового сигнала осуществляется по частотному признаку с помощью полосовых разделительных фильтров. При временном разделении каналов селекция осуществляется по временному признаку, для чего используются сигналы синхронизации, определяющие временные границы канальных интервалов (отдельных сигналов) и кадров (полной совокупности сигналов всех каналов).

В ГТС с кодовым разделением каналов сообщения обычно передаются во времени последовательно, как при ВРК, однако их селекция осуществляется по кодовым признакам, которыми наделяется каждый из каналов в отдельности. После селекции и преобразования наиболее важные параметры отображаются обычно не только с помощью электронно-лучевых индикаторов, но и с помощью графических устройств. Обзорные графики дополняются метками времени и другой служебной информацией, облегчающей ее дешифровку и быстрое восприятие. С выхода приемно-регистрирующей аппаратуры информация поступает в электронно-вычислительную машину для обработки данных телеизмерений. С этой целью применяются как универсальные, так и специализированные вычислительные машины. Возможна также неавтоматизированная (ручная) обработка данных. В результате обработки данных получаются графики и таблицы измеряемых физических величин в абсолютных или относительных единицах с привязкой к бортовому или наземному времени.

Характерной особенностью сетей связи, используемых для сбора телеметрической информации с пунктов приема, является применение в них составных каналов радио-, радиорелейной и кабельной связи, соединенных узлами автоматической коммутации. В общем случае к каналам передачи телеметрической информации предъявляются следующие требования:

возможность осуществления многоканальной передачи большого числа различных параметров с высокой точностью;

обеспечение высокой пропускной способности и достоверности пере- дачи данных;

удобство сопряжения линий связи между собой, с аппаратурой автоматической коммутации и аппаратурой обработки данных;

возможность использования существующих сетей связи для трансляции данных телеизмерений;

обеспечение высоких эксплуатационных и экономических, в т. ч. удельных, показателей.

Радио-, радиорелейные линии и коаксиальные кабели в состоянии обеспечить передачу информации в полосе частот 3-5 МГц и более, а современные волокнисто-оптические линии связи в полосе частот до нескольких десятков Ггц. Следует также иметь в виду, что цифровые системы хотя и требуют использования широкополосных линий связи, однако обладают малыми удельными расходами полосы частот и мощности на передачу одного бита информации в секунду.

Рассмотрим техническое обеспечение телемеханической системы на примере системы ПОИСК-GSM, разработанной для диспетчеризации и управления удаленными объектами по GSM-каналу связи. Структура системы поиск-GSM приведена на рисунке 2.2.



Рис. 2.2 Структура системы ПОИСК

В общем случае система состоит из устройства контролируемого пункта УКП-GSM, устройства пункта управления ПУ-GSM, OPC OPC (OLE for Process Control) -- семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами.-сервера Poisk-GSM, программного обеспечения верхнего уровня.

Устройство контролируемого пункта УКП-GSM, размещаемое на контролируемом пункте (КП), обеспечивает сбор данных от дискретных и аналоговых датчиков, счетчиков, релейное управление и передачу полученной информации в пункт управления (ПУ); устройство пункта управления ПУ-GSM, размещаемое в пункте управления (ПУ), обеспечивает прием данных от устройств УКП-GSM и передачу полученной информации по интерфейсу RS-232 в OPC-сервер Poisk-GSM; OPC-сервер Poisk-GSM - программный драйвер системы телемеханики, устанавливаемый на персональном компьютере диспетчера, к которому подключаются GSM-модемы устройства пункта управления ПУ-GSM; OPC-сервер Poisk-GSM обеспечивает прием информации от устройств УКП-GSM через устройство ПУ-GSM, передачу полученной информации в программное обеспечение верхнего уровня и конфигурирование устройств УКП-GSM; программное обеспечение верхнего уровня (SCADA-система), устанавливаемое на персональном компьютере диспетчера, служит для визуализации состояния контролируемых объектов и телеуправления, создания архивов, отчетов, графиков по состоянию объектов, формирования и выдачи тревожных сообщений и т.д.

Основу устройства УКП-GSM составляет контроллер К654, представляет собой одноплатное полнофункциональное устройство, не требующее дополнительных компонентов в базовой конфигурации. Контроллер К654 обеспечивает прием и обработку данных от дискретных датчиков типа "сухой контакт" или "открытый коллектор", от аналоговых датчиков с унифицированным токовым выходом в диапазоне 0…20 мА, 4…20 мА, 0…5 мА, выдачу дискретных сигналов (реле, контакты которых рассчитаны на ток до 8А при напряжении до ~250 В).

УКП-GSM обеспечивает формирование, организацию в очередь и хранение событий: изменение состояний дискретных входов и выходов, выход за установки значений аналоговых входов и данных от счетчиков электроэнергии, возникновение серийных событий, включение (перезапуск) контроллера.

Для обеспечения связи КП с пунктом управления контроллер К654 оснащен четырехдиапазонным GSM-GPS-модемом. Модем содержит GPS-модуль, используемый в качестве часов реального времени с GPS-коррекцией. К модему подключаются две антенны: GSM и GPS соответственно. В контроллер К654 могут быть установлены две SIM-карты для обеспечения более надежной передачи данных по GSM-каналу связи. Выбор между SIM-картами (операторами сотовой связи) может производиться программой контроллера автоматически, изменяться при конфигурировании или производиться вручную командой из диспетчерского пункта. Контроллер осуществляет запрос баланса счета по SIM-карте, с которой работает, и имеет функцию отслеживания его состояния.

Устройство контролируемого пункта УКП-GSM представляет собой металлический корпус настенного исполнения с дверью, в котором размещается контроллер К654.

Основу устройства ПУ-GSM составляют GSM-модемы (от 1 до 8 шт.), обеспечивающие связь с устройствами УКП-GSM по GSM-каналу связи. Устройство ПУ-GSM выполнено в корпусе настенного крепления. Внутри корпуса размещены блок питания и GSM-модемы, к которым через кабельные вводы подключены кабели интерфейса RS-232 для связи с диспетчерским компьютером, а также GSM-антенны. Питание устройства ПУ-GSM осуществляется от сети ~220 В, устройство оснащено индивидуальным автоматическим выключателем и лампой индикации наличия напряжения питания.

В целях повышения надежности процесса передачи данных система предусматривает работу с двумя операторами сотовой связи (имеется возможность установки двух SIM-карт в модем). Оператор сотовой связи, работа с которым является предпочтительной, определяется при конфигурировании, однако, при обнаружении проблем со связью, он может быть изменен контроллером автоматически или по команде диспетчера из пункта управления.

Система имеет защиту от несанкционированных команд, поступающих от неизвестных источников. Производится блокировка любой информации, поступающей от не прошедших авторизацию источников.

УКП-GSM имеет функцию формирования и отправки текстовых SMS-сообщений на мобильные телефоны по событиям. Для отправки SMS-сообщений на мобильные телефоны на flash-карте размещается командный файл с записями следующего содержания: тип события, по которому необходима отправка SMS-сообщения, номер мобильного телефона, на который должно быть отправлено сообщение, а также краткий поясняющий текст (содержание сообщения). Сообщения о различных событиях могут быть отправлены на разные телефонные номера.

Система обеспечивает возможность полного удаленного конфигурирования УКП-GSM из пункта управления (изменение значений уставок, изменение телефонных номеров и текста SMS-сообщений, задание режимов работы, расписания автономного управления и т.д.). Конфигурирование осуществляется через терминал OPC-сервера двумя способами: локальное изменение параметров при помощи индивидуальных команд или общее конфигурирование устройства путем считывания, изменения и перезаписи текстового файла-конфигурации УКП-GSM.

2.3 Программное обеспечение автоматизированной системы

управления с пространственно распределенным объектом

Системы телемеханики, используемые в автоматизированных системах управления, обуславливает специфические требования, предъявляемые к программному обеспечению:

программное обеспечение должно представлять собой интегрированный комплекс программных средств, включающих в себя все необходимые для создания современного человеко-машинного интерфейса и SCADA-приложений с поддержкой ОРС-стандарта;

комплекс должен работать под управлением Windows 95/98/ NT/2000/XP/Vista/CE и иметь средства обмена данными по последовательному каналу связи;

комплекс должен обеспечивать возможность создания пользовательских приложений, допускающих написание специальных программ для создания мнемонических схем на экране дисплея и реализации специфических программ управления;

программное обеспечение должно обеспечивать динамическое отображение изменения контролируемых параметров процесса обогащения и их привязку к физическим каналам ввода-вывода;

в состав комплекса программных средств должны входить, программы, обеспечивающие генерацию отчета о текущем состоянии процесса ректификации, работе отдельных приоритетных блоков и систем оборудования, архивацию данных телеметрии и своевременный прогноз, предсказание, обнаружение и идентификация аварийных и других событий, связанных с контролируемым процессом и состоянием технического оборудования.

Изложенные требования являются достаточными при разработке подавляющего большинства систем телемеханики. Однако естественно, что особенности некоторых технологических процессов и применяемого специального оборудования промышленных объектов могут потребовать введения дополнительных.

Примерами такого специального процесса и оборудования могут быть комплекс оборудования работающий в условиях на шельфовой нефтедобывающей платформе (специальные условия работы промышленных объектов и систем телемеханики) или технологический комплекс специального оборудования по утилизации радиоактивных отходов (специальные материалы промышленного объекта). Большинство SCADA- систем позволяют организовывать программное обеспечение для систем телемеханики. Для примера рассмотрим такие SCADA - системы, как GENESIS32 и Trace Mode.

SCADA-система GENESIS32

SCADA-система GENESIS32 разработана фирмой ICONICS. ICONICS - американская корпорация, основанная в 1986 году, специализируется на производстве инструментальных программных средств для создания SCADA-систем, интеллектуального производства и визуализации бизнес-процессов, программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего уровня систем промышленной автоматизации.

GENESIS32 V8 OPC является комплексом 32-разрядных приложений для операционных систем Microsoft Windows 98/NT/ME/2000/XP/2003, построенных в соответствии со спецификацией OPC. GENESIS32 предназначен для создания программного обеспечения сбора данных и оперативного диспетчерского управления верхнего уровня систем промышленной автоматизации. В состав GENESIS32 так же входит среда разработки и исполнения сценарных процедур VBA, обеспечивающая возможность разработки части программного обеспечения средствами Microsoft Visual Basic for Applications 6.3 (Visual Basic для приложений), входящего в популярный пакет MS Office 2000. Все программные компоненты реализованы на базе многопотоковой модели и поддерживают технологию ActiveX. GENESIS32 V8 состоит из следующих подсистем.

AlarmWorX32 Мощная подсистема обнаружения, идентификации, фильтрации и сортировки аварийных и других событий, связанных с контролируемым технологическим процессом, обеспечивающая оповещение оперативного персонала, прием подтверждений восприятия информации об аварийных событиях, регистрацию информации об авариях в открытых базах данных и формирование отчетов. DataWorX32 V8 является OPC-сервером, который предназначен для организации единого моста между множеством клиентских и серверных компонентов системы, анализа и обработки данных, обеспечения резервирования. GraphWorX32 объединяет средства разработки и просмотра графических мнемосхем автоматизированных рабочих мест оператора АСУ ТП. Мнемосхемы (экранные формы) могут создаваться как на основе встроенных средств рисования, так и управляющих элементов ActiveX других производителей. Pocket GENESIS 32-разрядное многопотоковое приложение для Windows CE, поддерживающее технологию ОРС и позволяющее создавать системы сбора данных и управления на базе карманных компьютеров с использованием беспроводных коммуникаций. TrendWorX32 обеспечивает архивирование информации в любых открытых базах данных с возможностью её последующего извлечения и представления в виде отчётов или на графиках. Кроме того, TrendWorX32 является мощным средством высокопроизводительного построения графических зависимостей технологических параметров. WebHMI-V8 предназначен для предоставления данных и графической информации о контролируемом технологическом процессе любого клиентского приложения комплекса GENESIS32 любому компьютеру, на котором установлен браузер Microsoft Internet Explorer или Netscape Navigator. На рис. Приведена архитектура система, когда возможен контроль и управление дистанционно с мобильных устройств оп средствам Bluetooth.

Рис. 2.3 Архитектура системы

SCADA-система Trace Mode

SCADA-система TRACE MODE разработана и продолжает совершенствоваться отечественной фирмой-изготовителем AdAstra Research Group, LTD. TRACE MODE 6 содержит полный набор программных средств для создания АСУТП и АСУП. SCADA-система TRACE MODE содержит средства разработки операторского интерфейса (SCADA/HMI), программирования контроллеров (Softlogic), управления основными фондами (EAM), персоналом (HRM) и производственными процессами (MES). Подробно о Trace Mode рассказано в 3 главе.

Глава 3. Разработка лабораторной установки по изучению технологии

удаленного доступа

3.1 Назначение и цели лабораторных работ

Комплекс лабораторных работ позволяет освоить технология удаленного доступа в SCADA-системе Trace Mode 6, а так же изучить технологию удаленного доступа. В результате выполнения лабораторных работ студент:

освоит технологию удаленного доступа в автоматизированных системах управления технологическими процессами;

получит опыт дистанционного управления технологическим оборудованием;

изучит способы создания и организации SMS-отчетов о состоянии технологического оборудования или системы управления.

Комплекс лабораторных работ по изучению технологии удаленного доступа состоит из 3 работ:

Лабораторная работа №1 «Настройка и подключение GSM-модем»,

Лабораторная работа №2 «Создание управляющих SMS-сообщений»,

Лабораторная работа №3 «Создание SMS-отчетов».

3.2 Техническое обеспечение лабораторных работ

Лабораторная установка для выполнения комплекса лабораторных работ состоит:

персональный компьютер (ПК) с СОМ-портом;

GSM-модем Siemens TC 35i с сетевым кабелем, антенной и SIM-картой провайдера сотовой связи;

мобильный телефон.

GSM-модем Siemens TC35i -- надежный двухдиапазонный GSM-терминал промышленного применения. Модем TC35i обеспечивает голосовую связь и беспроводной обмен данными, SMS и факсами между удаленными объектами.

Модем содержит держатель SIM карты, блок питания и полный интерфейс RS-232. Управление осуществляется модемными AT-командами. Для работы с GSM-модем необходимо подключить к его внешним разъёмам антенну, источник постоянного тока и любой микропроцессорный контроллер или компьютер типа IBM РС по последовательному СОМ-порту (RS-232). Дополнительно можно подключить внешнюю телефонную трубку и использовать как стационарный сотовый телефон.

Стандартные интерфейсы и встроенное устройство чтения карт SIM делают простым и быстрым универсальное применение устройства в качестве двухдиапазонного терминала GSM. Функциональные возможности и прочный корпус устройства облегчают быструю реализацию новых приложений в областях телеметрии и телематики. Все внешние интерфейсы модема надежно интегрированы в корпусе устройства. Штекерные соединения соответствуют стандартам и пригодны для использования в условиях вибрации. Важнейшие функциональные возможности модема TC35i:

поддержка двух GSM-диапазонов: EGSM 900 и GSM 1800;

стандартные интерфейсы: RS-232 и RJ-9, антенный разъем FME (Male);

встроенный держатель SIM-карты;

расширенный набор АТ-команд для промышленных приложений.

Рассмотрим интерфейсы GSM-модема. На рис.3.1 представлена лицевая часть модема, цифрами отмечено: 1-гнездо для трубки, 2 -индикатор работы модема, 3-держатель для SIM-карты.



Рис. 3.1 GSM-модем

На рис. 3.2 представлена тыльная сторона модема на которой отмечены цифрами: 1- последовательный порт RS-232, 2- гнездо питания, 3-гнездо для антенны.

Рис. 3.2 Вид с торца GSM-модема

Для проведения комплекса лабораторный работ необходимо иметь GSM-модем, источник питая, антенну (см. рис.3.3а) и кабель RS-232(см. рис.3.3б).

Рис. 3.3 (а,б) комплект для проведения лабораторных работ

1-антенна, 2- GSM-модем, 3 - источник питания

Структура стенда для проведения работ представляет собой персональный компьютер, соединенный с GSM-модемом по последовательному интерфейсу. К модему подключен источник питания и антенна

3.3 Программное обеспечение лабораторной работы

Для выполнения комплекса лабораторных работ необходимо используется два вида программного обеспечения: стандартное и специальное. В роли стандартного программного обеспечения выступает SCADA-система Trace Mode (ТМ). В специальное программное обеспечение разрабатывается в ТМ на языках программирования FBD и Techno ST.

3.3.1 Стандартное программное обеспечение - SCADA-система Trace

mode

Система TRACE MODE 6 это универсальное средство разработки и отладки приложений для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и управления производством (АСУП).

Инструментальная система TRACE MODE 6 состоит из интегрированной среды разработки и отладочного монитора реального времени - профайлера. Интегрированная среда разработки TRACE MODE 6 представляет собой единую программную оболочку, объединяющую все основные компоненты инструментальной системы:

SOFTLOGIC - систему программирования контроллеров;

SCADA/HMI - систему разработки распределенной АСУТП;

MES-EAM-HRM - экономические модули, объединенные общим названием T-FACTORY.exe - для создания АСУП, полностью интегрированных с АСУТП.

C помощью данной SCADA-системы возможно организация получения телеметрической информации по средствам беспроводной связи. SCADA система TRACE MODE по своей функциональности давно уже переросла рамки традиционной SCADA, и тем не менее SCADA это по-прежнему наиболее востребованная ее часть. Помимо обязательных для любой SCADA системы функций TRACE MODE 6 имеет ряд особенностей, которые выделяют ее из общей массы аналогичных программных продуктов класса SCADA/HMI. Прежде всего, это единая интегрированная среда разработки, объединяющая в себе более 10 различных редакторов проекта АСУ ТП и АСУП. Интегрированная среда разработки имеет бесплатную версию. Функции SCADA/HMI в TRACE MODE 6 так органично слиты с SOFTLOGIC системой программирования контроллеров и экономическими модулями T-FACTORY (MES-EAM-HRM), что зачастую трудно провести между ними четкую грань.

Незаменимым инструментом создания проекта в SCADA системе TRACE MODE 6 является уникальная технология автопостроения. Она позволяет несколькими движениями мыши создать связи между узлами распределенной системы управления (РСУ), между источниками данных SCADA и каналами, создать источники данных по известной конфигурации контроллера и т.п. В состав системы входят бесплатные драйверы для 2407 контроллеров и УСО.

Принцип единого проекта для распределенной АСУ позволяет осуществлять прямые привязки между компонентами разных узлов. Например, можно отобразить значение канала одного узла SCADA на экране другого, не создавая дополнительного канала для связи между ними.

Для программирования алгоритмов управления технологическими процессами в SCADA системе TRACE MODE поддержаны все 5 языков международного стандарта IEC 61131-3. Среди них есть и визуальные языки - Techno FBD, Techno LD, Techno SFC и процедурные - Techno ST, Techno IL. Такой широкий диапазон средств программирования позволяет специалисту любого профиля выбрать для себя наиболее подходящий инструмент реализации любых задач АСУ ТП и АСУП. Все языки программирования снабжены мощными средствами отладки. SCADA/HMI система TRACE MODE 6 поддерживает практически любые форматы данных, в этом она стала более похожа на универсальную среду визуального программирования.

Помимо привычных форматов хранения дискретных сигналов и значений с плавающей точкой, в этой версии SCADA реализована поддержка строк, переменных двойной точности (double float, hex32), а также меток времени (как самостоятельных каналов). Формат отображения значений каналов на мнемосхемах теперь можно указывать в нотации функции printf языка Си, хорошо знакомой всем программистам.

Великолепная трехмерная графика SCADA системы TRACE MODE 6 не оставит равнодушными даже профессиональных дизайнеров. В то же время графический редактор SCADA удобен и прост в освоении. Графика SCADA уровня TRACE MODE 6 не только эстетична, но и функциональна: любой графический элемент может менять свои свойства, размеры и положение на экране в реальном времени в зависимости от параметров, а также служить кнопкой. Фотореалистичная графика в SCADA системе TRACE MODE 6 основана на использовании OpenGL, поэтому она обладает массой недоступных ранее возможностей.

Разработчик АСУ ТП на базе SCADA системы TRACE MODE 6 не ограничен в выборе цвета - к стандартной палитре добавилась возможность использования пользовательских цветов. Причем цвета можно задавать с помощью палитры RGB или HSV.

Для удобства редактирования сложных мнемосхем в графическом редакторе SCADA системе TRACE MODE 6 поддерживаются слои, видимостью которых можно управлять. Более того, видимостью слоев можно управлять в реальном времени. Это позволяет на одной мнемосхеме отображать по желанию пользователя те или иные подсистемы технологического объекта. Например, можно создать поверх плана сооружения несколько схем-слоев: канализация, отопление, электроснабжение, вентиляция, пожарная сигнализация и т.д.; а отображать только то, что нужно в данный момент. В SCADA системе TRACE MODE 6 существенно расширена поддержка внешних графических форматов, анимация и растровые рисунки могут подвергаться произвольной трансформации (поворот, растяжение), причем не только в редакторе, но и динамически. Оригинальная технология 3D Fast+ обеспечивает быструю загрузку мнемосхем SCADA/HMI в реальном времени. Удобная система навигации позволяет просматривать состояние технологического процесса за произвольный временной интервал, увеличивать выделенный участок тренда, добавлять в процессе работы со SCADA новые перья. На одном тренде с общей полосой прокрутки времени может отображаться неограниченное количество дискретных и аналоговых параметров АСУТП. Для каждого параметра настраивается не только цвет линии, но и ее стиль. Интервалы недостоверности значения параметра, возникающие, например, в случае потери связи SCADA с датчиком, могут отображаться особым цветом и стилем. Точное значение контролируемых параметров в определенный момент времени можно узнать с помощью визира одним нажатием мыши. Внешний вид и набор доступных элементов навигации настраивается индивидуально для каждого тренда.

В SCADA системе TRACE MODE 6 стал возможен принципиально новый подход к созданию мнемосхем - поддержка всплывающих (Pop-Up) окон. Всплывающие окна SCADA TRACE MODE 6 располагаются поверх окна основной мнемосхемы и служат вспомогательными элементами. Одновременно может быть открыто несколько всплывающих окон, причем с ними можно работать, как с обычными окнами Windows: перемещать, изменять размер, закрывать, переводить на передний план или перекрывать другим Pop-Up окном.

SCADA TRACE MODE обладает собственным генератором отчетов, позволяющим в реальном времени быстро создавать ясные и полнофункциональные HTML-отчеты. Генератор отчетов встроен в некоторые исполнительные модули (ДокМРВ+), а также существует в качестве выделенного сервера (Сервер документирования). Шаблоны отчетов создаются в Редакторе шаблонов Интегрированной среды разработки SCADA TRACE MODE.

Редактор шаблонов - это WYSIWYG инструмент, обладающий широкими возможностями иллюстрирования отчетов, и глубоко интегрированный с системой программирования SCADA TRACE MODE. SCADA TRACE MODE 6 (ТМ6) обладает собственной высокопроизводительной промышленной СУБД реального времени SIAD/SQL™ 6 оптимизированной на быстрое сохранение данных. Архивные данные SIAD/SQL™ 6 не только быстро сохраняются, но и подвергаются статистической обработке в реальном времени, а также могут отображаться на мнемосхемах SCADA и использоваться в программах наравне с данными реального времени. Для облегчения настройки взаимодействия с внешними базами данных в интегрированную среду разработки TRACE MODE встроен редактор SQL-запросов. Кроме того, существует возможность подключения компонентов ActiveX, что свидетельствует о высокой степени открытости SCADA-системы TRACE MODE 6. Компания AdAstrA Research Group уделяет максимум внимания качеству своих программных продуктов, поэтому TRACE MODE стала первой в СНГ и второй в мире SCADA/HMI системой, система разработки и технической поддержки которой сертифицирована на соответствие ISO 9001:2000.

3.3.2 Специальное программное обеспечения

Разработка специального программного обеспечения производится в ТМ6. Оно используется для выполнения лабораторной работы №3. В этой работе необходимо создать две программы: для определения состоянии насоса (зависимости от уровня жидкости в аэротенки) и для непосредственной отсылки SMS-отчета о состоянии насоса. Блок схема алгоритма определения состояния насоса приведен на рисунке 3.5, а алгоритм отсылки SMS-отчетов на рисунке 3.6.

Рис. 3.5 Упрощенная блок схема алгоритма определения состояния насоса

Рис. 3.6 Блок схема алгоритма отсылки SMS-отчетов.

3.3.3 Описание технологического объекта

При организации комплекса лабораторных работ в качестве технологического объекта используется аэротенк. Аэротенк -- это очистное сооружение или резервуар, служащий для очистки стоков биологическим путем через окисление их бактериями, которые находятся в аэрируемом слое. В устройстве аэротенк стоки очищаются посредством нагнетания воздуха, который подается компрессором, что создает идеальные условия для развития бактерий, очищающих бытовые стоки. Степень очистки в устройстве аэротенк достигает 98 процентов.

Аэротенки находятся на значительном удалении от предприятия, поэтому управление насосом осуществляется дистанционно с АРМ оператора, а также с использованием мобильных телефонов ремонтных служб, которые могут при аварийных ситуация с помощью SMS управлять насосом.

Глава 4. Разработка методического обеспечения для выполнения

лабораторных работ

4.1 Содержание лабораторных работ

В лабораторной работе № 1 необходимо создать графический элемент кнопка, с помощью которой можно отсылать сообщения на мобильный телефон оператора. Это можно реализовать путем записи в 28 атрибут пользователя текста сообщения, при каждом вводе в этот атрибут текстовой строки она отправляется в виде SMS-сообщения на мобильный телефон пользователя. Следовательно, при вводе текста с использование этой кнопки, он должен записываться в 28 атрибут пользователя.

В лабораторной работе №2 необходимо удаленно управлять технологическим оборудованием (например, насосом). Для этого создается системная переменная, которая определяет алгоритм обработки входящих SMS.

В лабораторной работе №3 необходимо создать программу (написанную на языке Techno ST в ТМ6), которая бы отсылала отчет о состоянии технологического оборудования или системы управления на мобильный телефон оператора. Таки образом, данная программа должна отсылать определенный текст при выполнении условий, условиями будут являться состояние насоса (включен или выключен) и индекс смены состояния. Состояние насоса определяется в зависимости от уровня в баке (или аэротенке).

4.2 Методические указания к выполнению Лабораторной работы №1 «

Подключение и настройка GSM модема»

Часть 1 Установка модема к персональному компьютеру (ПК) в операционной системе Windows XP.

1.1 Подключение модема к ПК.

Проверить наличие SIM-карты, для этого необходимо открыть лоток держателя на лицевой стороне модема.

Подключить к GSM-модему питание, антенну, кабель RS-232 к разъемам находящимся на торцевой стороне модема.

Подключить модем к ПК через СОМ-порт RS232. Если ПК не имеет интерфейса RS-232, то необходимо использовать специальный адаптер, который позволяет перейти от USB к СОМ-порту.

1.2 Установка модема в операционной системе Windows XP.

Добавить модем в список оборудования ПК. Для этого через меню ПУСК>Панель управления >Телефон и модем

Открыть вкладку МОДЕМЫ и нажимаем кнопку Добавить (см.рис.4.1)

Рис. 4.1 Установка модема в операционной системе Windows XP.

Открыть Мастер установки нового оборудования, нажать кнопку Далее, затем открывается окно проверки Plug and Play, данный модем не относится к категории Plug and Play (см.рис. 4.2).

Рис. 4.2 Мастер установки оборудования

Нажать кнопку Далее (см. рис.4.2)

Выбрать из списка моделей Стандартный модем 19200bps, затем нажать кнопку Далее (см. рис.4.3).

Рис.4.3 Установка стандартного модема

Выбрать из списка нужный СОМ-порт и нажать кнопку Далее (см.рис.4.4).

Рис. 4.4 Выбор нужного CОМ-порта

Нажать кн. Готово после завершения мастера установки нового оборудования (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5 окончание установки GSM-модема

1.3 Проверка работоспособности модема

Нажать правой кнопкой мыши (ПКМ) на иконку Мой компьютер на рабочем столе и выбирать пункт меню Свойства.

Открыть вкладку Оборудование, на выбранной вкладке нажать кнопку Диспетчер оборудования.

В открывшемся дереве выбрать нужный нам модем (см. рис. 4.6)

Рис. 4.6 Диспетчер устройств

Из контекстного меню (которое открывается нажатием ПКМ на модем в диспетчере устройств) выбрать пункт Свойства, затем вкладку Диагностика и нажать кн. Опросить. При правильной установки модема опрос должен пройти успешно (см.рис. 4.7).

Рис.4.7 Диагностика модема

Если опрос успешно пройти не удалось необходимо вытащить из сети питание, затем сом-кабель из ПК. После чего удалить модем из списка оборудования, перезагрузить ПК и попробовать заново установить модем.

Часть 2 настройка модема в Trace Mode (ТМ).

2.1 Создание нового проекта в ТМ.

Открыть ТМ, нажимая на иконку на рабочем столе.

Создать Простой проект, для этого в пункте меню Файл нажать кн. Новый и выбирать Простой проект, затем нажать кн. Создать (см. рис.4.8).

Рис. 4.8 Создание проекта

Перед началом работы необходимо назвать проект и выбрать директорию хранения. Для этого в меню Файл нажимаем кнопку Сохранить как. (Для наилучшей работы проекты все имена должны быть на латинице).

2.2 Настройка модема в ТМ

Создать группу Сом-порты, путем вызова контекстного меню на поле навигатора проекта ПКМ Создать группу>СОМ-порты (см.рис. 4.9 а,б).

Рис. 4.9 Создание группы СОМ-порты

Настроить СОМ-порта, для этого в поле компонентов узла выбираем СОМ-порты. Открываем редактор СОМ-порты#1, нажатием на кнопку на инструментальной панели. Затем последовательно редактируем указанные настройки: номер порта (поставить номер пора к которому подключен модем); назначение (выбираем назначение GSM-SMS) и скорость (ставим скорость 19200)(см. рис. 4.10). После настройки СОМ-порта закрываем окно свойств (см. рис.4.11).