Проектирование систем управления.

Господствующая сегодня технология создания автоматизированных систем управления такова:

▪ специалист, знающий тонкости реализуемой технологии, разрабатывает алгоритм работы системы (обычно –словесное описание);

▪ по результатам анализа задачи (числа и характера информационных объектов – датчиков и исполнительных устройств, их удаленности, требуемых динамических характеристик, требований к пользовательскому интерфейсу, к протоколированию хода процесса и различного рода тревог и т.п.), а также по экономическим соображениям инженер-системотехник разрабатывает структурную схему системы, оцениваются потребные вычислительные ресурсы;

▪ выбирается или разрабатывается аппаратура: контроллер или промышленный компьютер, устройства связи с объектом ;

▪ разрабатывается и отлаживается программное обеспечение

С первой, второй и даже третьей задачами вполне может справиться специалист по автоматизации – штатный сотрудник предприятия.

Ключевой момент здесь – четвертая задача, разработка ПО. Для этого во-первых, требуется программист.

Если задачи подобного рода на предприятии не являются каждодневной работой (а чаще всего так и бывает), то программист – человек со стороны, тонкости технологии ему надо объяснять. Во-вторых, насколько бы хорошо ни было продумано ТЗ, неминуемо всплывут неучтенные нюансы, в особенности если процесс автоматизируется впервые. Нюансы всплывают порой неожиданно, а влезть в программу и внести коррективы практически может только сам разработчик, который в это время может быть занят другой работой или вообще откажется от дальнейшего сотрудничества. Так же обстоит дело и с внесением модификаций. В подобных ситуациях неминуемо возникают напряженность в отношении с клиентом, экономические потери и другие неприятности.

В то же время такая ситуация вовсе не является неизбежной. Если системотехнические вопросы можно решить своими силами, то остается дать технологу в руки инструмент, позволяющий изложить свои требования на языке, содержащем описание необходимых логических связок. Кроме того, в его распоряжение очень желательно предоставить средства разработки пользовательского интерфейса – рабочих экранов. Это, по сути, специализированный графический редактор и библиотеки изображений типовых элементов систем.

Таким образом, практически отпадает необходимость в создании ПО в традиционном смысле: надо просто изложить исходные требования немного другими средствами.В этом случае привлечение сторонних или содержание своих программистов перестает быть необходимым: исчезает промежуточное звено, скорость разработки существенно повышается, качество – тоже.

Программные продукты, реализующие эту идею, называются SCADA-системами (Supervisory Control and Data Acquisition system – система наблюдения, сбора данных и управления).

Как уже упоминалось, среди всех проектных работ разработка чертежей, схем и другой документации требует наибольших затрат времени и человеческого труда, при том, что подавляющая часть операций при черчении имеет совершенно рутинный характер. Естественно, что ранние САПРы представляли собой именно чертежные программы.

В ранние времена, при слабых машинах и несовершенных устройствах ввода (ничего лучше сколки не было) бытовала идея типового чертежа, когда изображение детали неизменно, лишь варьируются сведенные в таблицу размеры. Доминирующей она не стала, поскольку разнообразие деталей все-таки слишком велико, хотя создание групповых документов в конструкторской практике – обычное дело.

Разумеется, даже в самых ранних программах графика уже была векторной, т. е. все изображение представляет собой комбинацию из графических примитивов – отрезков, дуг, окружностей, эллипсов, сплайнов, полигонов, ломаных линий (полилиний), штриховок, а также фрагментов текста. Мы уже говорили о том, что только векторное представление позволяет создавать и редактировать изображения с приемлемой трудоемкостью.

В некоторых CAD-программах сначала вычерчивается изображение, а затем проставляются необходимые размеры. При этом размерное число получается таким, как на изображении. В других системах изображение можно практически просто нарисовать, отразив чисто качественные свойства детали. Затем наносятся все необходимые размеры, и изображение автоматически модифицируется в соответствии с назначенными размерными числами.

Такое свойство CAD-программ называется параметризацией, а сама CAD-программа – параметрической. На первый взгляд, ничего особенного, однако параметризация придает CAD-программе новые и очень важные свойства.

Во-первых, редактирование чертежей сильно упрощается и ускоряется.

Во-вторых – и это, пожалуй, дает самый большой эффект - появляется возможность создания системы связанных чертежей, когда несколько параметров назначаются глобальными в рамках проекта. В этом случае изменение размера в одном чертеже приводит к автоматическому изменению этого размера во всех чертежах, с ним связанных – будь то сборки всех уровней или сопрягаемые детали.

Разумеется, при этом возможны коллизии вроде выхода отверстия за контур детали, налезания одной детали на другую и т. п., но в параметрической системе обязательно предусматриваются средства их выявления.

В-третьих, параметризация позволяет менять не только размеры, но и форму конструктивных элементов, вставляя тот или иной в зависимости от значения параметра, что наполняет новым содержанием идею типового чертежа.

Ну и, наконец, она дает возможность делать изображение «на скорую руку» в расчете на то, что точность обеспечится за счет параметризации.

D и 3D.

Поскольку чертеж – это в принципе изображение на плоскости, чертежные программы являются двумерными, то, что сегодня называется 2D (2 dimensions).

2D–редакторы и сегодня являются самыми распространенными, однако им свойственны очень серьезные ограничения.

В этой проблеме можно выделить несколько аспектов.

Часть проблемы составляет то, что чертеж для получения представления об объекте требует хорошо развитого пространственного воображения. а оценить объект с точки зрения дизайна вообще практически не позволяет.

Известно, что 80% людей оценивают потребительские свойства изделия по внешнему виду, в меньшей степени это относится к технологическому оборудованию, в большей – судов, самолетов, транспортных средств, профессионального или военного электронного оборудования. Что же касается бытовой электротехники, мебели, посуды, автомобилей, то дизайн приобретает почти решающее значение. То же относится и к архитектуре. Для того, чтобы дефекты дизайнерского решения выявлялись не на натурных моделях, которые в общем-то очень недешевы, необходимо фотографически достоверное изображение объекта, которое, в лучшем случае, можно было бы еще вертеть и разглядывать со всех сторон.

Второй аспект – компоновка изделия. При этом очень важно правильно представлять себе расположение его составных частей в пространстве. От этого зависит правильность оценки их взаимодействия не только в механическом плане, но и в плане теплообмена, электромагнитной совместимости и др. Любой практикующий конструктор знает, насколько сложно проработать этот момент на плоской бумаге. Конечно, можно сделать несколько видов и разрезов, что-то расчитать, но это сопряжено с огромными затратами труда.

Третий аспект – материальные свойства объектов, такие, как объем, масса, положение центра масс, момент инерции относительно произвольной оси. Это и при объектах относительно простой конфигурации всегда трудно сделать, а любое усложнение может сделать задачу почти неразрешимой.

Четвертый аспект – оценка поведения объекта под действием сил, а также в динамике, в особенности во взаимодействии с другими объектами.

использование информации об объекте в CAM-системах. Если имеется только плоский чертеж, для разработки программы обработки на станке с ЧПУ требуется, чтобы программист представил в голове и саму деталь, и траектории инструмента.

Надо ли объяснять, насколько это сложно и сколько при этом можно сделать ошибок?

Наверняка найдется еще достаточно аргументов в пользу того, что техмерная модель лучше плоского чертежа.

Это естественным образом стимулировало развитие соответствующего математического аппарата и создание программных продуктов для 3D-моделирования.

Правда, и в этом вопросе существуют различные подходы.

К примеру, в AutoCADе, который изначально разрабатывался как 2D-система, и в котором 3D-моделирование появилось в качестве надстройки, создается каркасная модель.

Это значит, что создается поверхность, а не тело.

В отличие от этого, в системах, которые изначально создавались как 3D, создается именно тело (solid). Технология создания и свойства созданного объекта достаточно сильно отличаются.

Что касается создания чертежей, то продвинутые 3D-системы при наличии модели позволяют автоматически получать заданные виды, на которых штриховыми линиями показываются внутренности, или разрезы по указанным плоскостям, то есть вся графическая информация, необходимая для создания чертежа, извлекается достаточно легко. Конечно, какой-то доработки этот материал требует – все-таки информация, содержащаяся в чертеже, не целиком заключается в графике - всегда хватает различных условных обозначений, текста и т.п., но самая трудоемкая и рутинная часть работы оказывается сделанной.

Таким образом, 3D-системы не только обладают всеми возможностями 2D-систем в плане создания чертежей, но и имеют очень серьезные преимущества в других планах.

Хорошие 3D-системы включают в себя также средства, существенно облегчающие создание сборочных чертежей и спецификаций.

Однако, если речь идет о том, какую систему следует приобретать для профессиональной работы, приходится рассматривать и другие стороны вопроса, кроме чисто функциональных:

▪ создание 3D-модели при прочих равных требует существенно больших трудозатрат,

▪ 3D-системы сложнее изучать и осваивать,

▪ 3D-системы существенно дороже, чем 2D.

По оценке одноко из практикующих конструкторов с большим опытом работы и с теми, и с другими системами, использование 3D-систем нецелесообразно в тех случаях, когда:

▪ большинство деталей проекта имеют простую конфигурацию,

▪ узлы относительно несложны и не требуют контрольной электронной сборки, или в основном применяется полнофункциональное моделирование изделия.

Без применения 3D-систем не обойтись, если, в частности:

▪ узлы настолько сложны, что контрольная электронная сборка экономичнее натурного моделирования,

▪ детали имеют сложную «скульптурную» форму, и для их изготовления необходимо создание управляющих программ для станков с ЧПУ с помощью САМ-систем,

▪ необходимо выполнять расчеты на прочность, исследование динамики,

▪ есть необходимость создания прототипов методами «Rapid Prototyping».

Не могу с уверенностью объяснить значение термина «Rapid Prototyping», но мне известно о методе создания натурных моделей, когда на станке с ЧПУ из специального листового материала вырезаются сечения детали, отстоящие друг от друга на толщину листа, и слой за слоем наклеиваются.

По прочности и стабильности этот материал превосходит дерево, полученная деталь по форме практически не отличается от того, что задумано, и может быть использована для изготовления литейной формы или натурного моделирования узла.

Таким образом, существуют направления проектной деятельности, в которых использование 3D-систем объективно необходимо, но удельный вес таких направлений все еще невелик, хотя имеется тенденция его роста, поэтому в ближайшей перспективе использование 2D-систем, по-видимому, будет преобладать.

По мере уменьшения ценовых различий между конкурирующими 2D- и 3D-системами они начнут использоваться для решения тех задач, которые в практике предприятия встречаются относительно редко и сегодня решаются подручными средствами за счет больших усилий и чудес изворотливости, а поскольку им заодно присущи все возможности 2D- систем, то и для решения всех остальных задач наряду с 2D- системами.

По мере развития системы подготовки инженеров и увеличения числа людей, владеющих навыками работы в 3D-системах, придет пора, когда создание трехмерной модели перестанет существенно отличаться по трудозатратам от создания двухмерной, при том, что трехмерная модель будет востребована на следующих этапах проектирования – и тогда распространение 3D-систем будет интенсивно расширяться.

Схемы.

Несмотря на то, что схемы можно графически выполнять и с помощью универсальной машиностроительной системы типа того же AutoCAD, специализированные редакторы для этой цели намного удобнее. Кроме этого, они обладают целым рядом свойств, не связанных с графикой.

По сравнению с ранними разработками они не претерпели существенных изменений – разве что интерфейс стал более удобным, несколько изменились приемы редактирования, а также облегчилась связь с программами –симуляторами и программами разработки печатных плат.

Особенностью программ для разработки схем является наличие двух редакторов (или двух режимов одного редактора), один из которых позволяет создавать символы элементов, другой – создавать собственно схемы.

Символ элемента включает в себя не только графику условного графического обозначения, но также упаковочную информацию (соответствие функционального назначения

выводов элемента номерам контактов корпуса – то, что на профессиональном жаргоне называется цоколевкой). В продвинутых программах в него же входит информация о типе и номинале элемента и типе корпуса. Тип и номинал используются программой-симулятором, а тип корпуса используется при передаче схемы в редактор печатных плат.

Схема содержит в графическом виде информацию об электрических связях, которая при передаче в программу-симулятор или в редактор печатных плат преобразуется в двоичный файл списка цепей. Особенностью редакторов схем является наличие режима, в котором при перемещении символа электрические связи тянутся за ним. Это важно именно при создании схем и может быть использовано для создания не только электрических, но и пневмогидравлических схем, Если создать соответствующие символы, можно делать и кинематические, и технологические, и другие схемы, при этом только принципиальные, но и схемы соединений, функциональные, структурные и т. п.

Даже самые простые программы этого класса обладают средствами организации библиотек элементов.

Печатные платы.

Все программы для разработки печатных плат при имеющихся различиях в интерфейсах, приемах редактирования, других функциональных характеристиках имеют ряд обязательных атрибутов:

▪ имеются два редактора (или два режима одного редактора) – один для разработки собственно платы, другой – для создания корпусов компонентов.

▪ информация об электрических связях, переданная из принципиальной схемы, отображается в виде «воздушных» связей, если связь еще не реализована в виде печатного рисунка, что позволяет визуально обнаруживать неразведенные связи,

▪ все элементы, относящиеся к одной цепи (контакты, печатные проводники, «воздушные» связи) могут быть подсвечены при выборе этой цепи, что позволяет контролировать и оптимизировать конфигурацию цепи.

▪ имеются средства контроля, не позволяющие соединять печатными проводниками элементы, относящиеся к разным цепям,

▪ имеются средства технологического контроля, не позволяющие располагать элементы проводящего рисунка ближе, чем задано.

▪ все программы позволяют менять местами логически эквивалентные выводы одного вентиля, а позднейшие разработки – менять местами логически эквивалентные вентили (правда, в пределах одного корпуса), что довольно часто позволяет существенно улучшить конфигурацию проводящего рисунка.

▪ все программы позволяют выполнять элементы проводящего рисунка не только в виде линий, а и в виде полигонов, при этом некоторые автоматически формируют вокруг контактных площадок так называемые тепловые барьеры (подробно в следующем семестре).

▪ при перемещении элементов или отдельных сегментов проводящего рисунка соседние «тянутся» за ними.

▪ все программы имеют средства для передачи информации в программы автоматической трассировки (или входят с этими программами в один пакет), что позволяет выполнить наиболее трудоемкую часть работы при компьютерной поддержке.

▪ несмотря на то, что уже сейчас широко распространена практика отказа от чертежей при изготовлении печатных плат, при необходимости их выполнения современные редакторы плат имеют достаточно развитые средства для выполнения графики и текстов, включая поддержку шрифтов True Type.

▪ все программы имеют встроенные средства подготовки программ для сверлильных станков с ЧПУ и фотоплоттеров, при этом необходимая для них информация (диаметры и координаты отверстий, диаметры контактных площадок, диаметры окон в защитной маске), формируется в процессе проектирования.

SCADA-системы

(по материалам статьи Александра Локоткова «Что должна уметь система SCADA», СТА 3/98)

Первый вопрос, как всегда, это вопрос терминологии.

В строгом смысле SCADA-система – это программное обеспечение, функционирующее в составе АСУТП конкретного объекта, или, как принято называть его на профессиональном жаргоне, управляющая программа.

На первый взгляд, инструментальные средства, предназначенные для разработки таких систем – это несколько иной класс программных продуктов.

Однако сегодня стандартом стало сращивание инструментальных систем и собственно SCADA-систем. В частности, так называемые run-time компоненты (программные средства, обеспечивающие работу системы в реальном времени) инструментальных систем используются не только для отладки проекта, но и для непосредственного управления технологическим процессом.

Сам термин SCADA (Supervisory Control And Data Asquisition – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) содержит две основные функции системы:

· сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

·
управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных, а также правил (критериев), соблюдение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.

Если рассматривать традиционную структуру аппаратных средств АСУТП, которая изображена на рис.1, SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем промышленной автоматизации находятся на уровнях 2 и 3 и обеспечивают выполнение следующих функций:

· прием информации от датчиков и контроллеров нижних уровней

· сохранение принятой информации в архивах

· вторичная обработка принятой информации

· графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобном для восприятия виде

· регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы

· прием команд оператора и передача их контроллерам нижних уровней и исполнительным механизмам

· оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым процессом и функционированием аппаратно-программных средств АСУТП с регистрацией действий персонала

· формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации

· обмен информацией с АСУП

· непосредственное управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами

Этот список имеет самый общий характер, поскольку в реальности набор функций, а также их удельный вес определяются спецификой задачи.

Программное обеспечение с ярко выраженным упором на функции взаимодействия с оператором называют HMI-системами или пакетами (Human-Machine Interface). Как следует из самого названия, основной функцией SCADA-системы является именно обеспечение HMI, хотя практически во всех существующих системах имеется возможность непосредственного управления техпроцессами. Такое совмещение позволяет экономить на аппаратных средствах, однако оно таит в себе и достаточно серьезные опасности. Во-первых, ресурсоемкая графика снижает быстродействие системы в целом. Во-вторых, неумелые действия оператора или запуск, мягко выражаясь, несанкционированного ПО могут «завесить» не только HMI, но и всю операционную систему, что приведет к нарушению всего техпроцесса, а достаточно часто и к возникновению прямой опасности для персонала и оборудования. Конечно, в инерционных системах потеря нескольких минут на перезагрузку к серьезным неприятностям не приведет, но такие системы не составляют подавляющего большинства.

Понятно, что ПО АСУТП может быть создано и без использования инструментальных SCADA-систем, и в ряде случаев оно может оказаться и дешевле, и эффективнее.

При решении вопроса о том, использовать инструментальную SCADA-систему или нет, полезно сначала ответить на несколько вопросов, в частности:

1. Насколько велик проект

2. Каковы сроки исполнения

3. Велика ли трудоемкость разработки ПО, какова квалификация потенциальных разработчиков и имеют ли они наработки в данной области

4. Каковы перспективы по расширению системы

5. Какова квалификация персонала, которому предстоит обслуживать систему в процессе эксплуатации и, возможно, вносить изменения в алгоритмы ее работы.

Естественно, чтобы иметь возможность сделать обоснованный выбор, надо иметь достаточно детальное представление о существующих SCADA-системах, о их возможностях и особенностях.

SCADA система TRACE MODE