Розробка програмного каркасу для контролерів базової системи керування процесом з урахуванням вимог до інтегрування з іншими підсистемами і реалізації сервісних функцій діагностики та обслуговування

1. Розробка програмного каркасу для контролерів
базової системи керування процесом з
урахуванням вимог до інтегрування з іншими
підсистемами і реалізації сервісних функцій
діагностики та обслуговування
Олександр Пупена, доцент ІАСУ (pupena_san@ukr.net)
Роман Міркевич, аспірант ІАСУ (roma_mirkevich@mail.ru)
Вікторія Путятіна, магітсрант ІАСУ (putaytina@ukr.net)
Національний університет харчових технологій, м.Київ
1

2. Основні міжнародні стандарти
функціональної безпеки
• IEC 61508 - Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic
safety-related systems
• IEC 61511 (ISA84) - Functional safety - Safety instrumented systems for the process
industry sector
• ISO 13849 - Safety of machinery -- Safety-related parts of control systems
• IEC 62061 - Safety of machinery - Functional safety of safety-related electrical,
electronic and programmable electronic control systems
• …
• Супутні: ISA 18.2 – Management of Alarm System , …

3. Основні міжнародні стандарти: сфери застосування

4. Інфраструктура системи (ISA 18.2)
SIS - safety instrumented system (СПАЗ – система протиаварійного захисту )
BPCS - basic process control system (базова система керування процесом, РСУ, ПЛК)…

5. Місце BPCS+SIS в інтегрованому виробництві
Level 4
Level 0
Level 1
Level 2
Level 3
Business Logistics
Plant Production Scheduling, Shipping,
Receiving, Inventory, etc
Manufacturing
Operations Management
Dispatching, Detailed Production
Scheduling, Production Tracking, ...
Batch
Production
Control
Discrete
Production
Control
Continuous
Production
Control
ISA – IEC/ISO
Interface
Standards
IEC, OPC, &
OMAC Interface
Standards
ISA
Functional
Model
The production processes
BPCS
SIS
ISA-95 1,2
ISA-95 3,4
ISA
-88
ISA-
TR88
.02
ISA-
106

6. • низька спостережність роботи об’єкта навіть при достатній кількості
даних (стан? ефективність? динаміка? що не так? …);
• «статична» діагностика процесу без прив’язки до типу продукції та
особливостей умов (характерно для Batch-процесів);
• «статичний» рівень тривог (аварія чи попередження як правило
задається розробником а не користувачем)
• погана реалізація самодіагностики та НЕ врахування відмов каналів в
самій системі BPCS;
• значні затрати часу на вияв факту несправності та усунення причин;
• тривоги по рівню сигналу при відмові каналу (недостовірності)
• відсутність інформування системи рівня MES/MOM про недостовірність
даних;
• проблеми навчання персоналу…
Типові проблеми BPCS
SIS – останній рубіж (немеханічної) автоматики захисту, але
BPCS – «передостанній»

7. Проблема спостережності (HMI), ситуаційної
визначеності
http://www.yokogawausersconference.com/uploads/3/1/8/5/3185440/mesatutorial_-_isa101_hmiworkshop.pdf

8. Підвищення ситуаційної обізнаності - High Performance
HMI
https://www.youtube.com/watch?v=RSpwACuPv9A
динаміка
розгін в зоні
визначена символіка і кольорова
гамма тривог різного рівня
градієнт

9. Приклади High Performance HMI (PAS)
http://www.pas.com/Resources/White-Papers.aspx
пелюсткові діаграми
ієрархія сторінок
контекстна допомога

10. Приклади High Performance HMI (PAS)
http://www.pas.com/Resources/White-Papers.aspx
графічні KPI

11. High Performance HMI – вже в стандарті
ISA 101.01-2015
The areas covered within ISA101's work will include:
• menu hierarchies,
• screen navigation conventions,
• graphics and color conventions,
• dynamic elements,
• alarming conventions,
• security methods and electronic signature attributes,
• interfaces with background programming and historical databases,
• popup conventions,
• help screens and methods used to work with alarms,
• program object interfaces,
• and configuration interfaces to databases, servers, and networks.
- See more at: https://www.isa.org/isa101/#sthash.nql7qCv8.dpuf
https://www.isa.org/isa101/
ISA 101 - Human Machine Interfaces for Process Automation Systems
http://wilmingtonisa.org/files/Download/ISA-Applying-ISA101-to-Existing-HMIs_MikeHawrylo.pdf

12. Розвиток ISA 106 (Continues Process)

13. • …
• інтеграція з верхнім рівнем (MES/MOM) та іншими підсистемами
• batch керування
• визначення KPI в реальному часі
• тиражування
• …
Інші проблеми рівня BPCS+ SCADA/HMI Alarm
розробка IEC 61131-3 та ISA-95/88/106 сумісного
програмного каркасу для PLC-based BPCS :
взаємопов’язані бібліотечні елементи базового набору функцій/ФБ а також
визначення механізму їх імплементації в об’єкти вищого рівня.

14. Концепція 1. Equipment by ISA 88/95/106
Елементи каркасу:
канали (DICH, DOCH, AICH, AOCH,
COMCH), технологічні змінні (AIVAR,
AOVAR, DIVAR , DOVAR), ВМ (запірні
клапани, регулюючі клапани,
двигуни, насоси)

15. Концепція 2. Процедурне та базове керування ISA 88/106
ISA 88 (Batch)
ISA 106 (Continues)

16. Концепція 3. Функціонування EM на базі автоматів станів
ISA 88/106
ISA 106 (Continues)ISA 88 (Batch)

17. Концепція 3. Функціонування CM на базі автоматів станів
ISA 88/106
Для CM обов'язковими є :
• STA (STATUS + MODE)
• CMD (COMMAND)

18. Концепція 4. Моделе-орієнтованість апаратурних об’єктів
Концепції:
• алгоритм імітації в EM/CM
• режим імітації в кожному EM/CM (апаратурному об'єкті)
• ієрархічне керування режимами моделювання (наскрізне керування
режимом моделювання)
• алгоритм імітації в реальному або іншому масштабі часу
Цілі:
• налагодження ПЗ без наявного об'єкту
• навчання персоналу без наявного об'єкту
• діагностика на базі знань про структуру об'єкту (моделе-орієнтована)
• прогнозування поведінки
Усі об'єкти підтримують режими (MODE):
• ручний (форсування) або автоматичний;
• нормальний режим або імітація

19. Концепція 5. Розділення RT та NRT даних SCADA/HMI та
робота через буфер
Підхід потребує великого обсягу NRT (Non Real Time) даних:
• конфігураційні (налаштування об'єктів),
• налагоджувальні (кроки, час виконання кроків),
• діагностичні (причина відмови за необхідності).
• потреби більшої кількості пам'яті і розрахунків => сучасні ПЛК значно
потужніші
• потреби більшої пропускної здатності => тотальний перехід на технології
Ethernet або/та розділення трафіку (згрупованих у різних зонах пам'яті)
• більша кількість тегів отже більша вартість SCADA => робота з NRT даними
через буферну змінну

20. Концепція 5. Обмін NRT даними через буфер
CFG_BUFER
ПЛК
SCADA/HMI
CFGi
CFG_BUFER
CMD=READ_CFG
CMi_HMI
CMi
CFGj
CMj
CMj_HMI
CMi_HMI
CFG DATA
CMD=READ_CFG
CMD=WRITE_CFG
CMj_HMI
RT DATA
RT DATA

21. Архітектура обладнання нижнього рівня
CM LVL0: рівень абстрагування від
обладнання, "канали"
CM LVL1: рівень технологічних
змінних
CM LVL2: рівень пристроїв та
виконавчих механізмів
агрегати (Equipment Module)
апарати (Unit)

22. CM LVL0
LVL0 (рівень абстрагування від обладнання, "канали"): канали контролеру - для
діагностики каналу, прив’язки логічних каналів до фізичних.
Об’єднуються в масиви:
DICH[0..n] - дискретні вхідні канали,
DOCH[0..n] - дискретні вихідні канали,
AICH[0..n] - аналогові вхідні канали,
AOCH[0..n] - аналогові вихідні канали,
COMCH[0..n] – комунікаційні канали
STATE:
• значення (для DICH/DOCH)
• надання діагностичної інформацію вищим рівням CM, як мінімум - ознаки
достовірності, максимум - причину відмови каналу;
• передбачають режим форсування значення;
• показують факт прив’язки до каналу технологічної змінної;
COMMAND:
• діагностувати (отримати причину відмови);
• прочитати/записати параметри
• форсувати
VALUE:
• значення для аналогових/числових каналів;

23. CM LVL1
LVL1 (рівень технологічних змінних): для повної обробки даних з процесу,
включаючи прив’язку до каналу, фільтрацію, масштабування, інверсію і т.п.;
для зручності відлагодження процесу; для функцій імітаційного
моделювання; для функцій технологічної сигналізації;
Мають унікальні назви:
AIVAR - аналогові вхідні,
AOVAR - аналогові вихідні,
DIVAR - дискретні вхідні,
DOVAR - дискретні вихідні:

24. CM LVL1
• прив’язка до каналу по його номеру в масиві
• відключення з обслуговування (деактивація змінної)
• відслідковування достовірності значення по помилці прив’язаного каналу,
виходу за діапазон вимірювальної величини, тощо;
• діагностика роботи каналу (передача діагностичної інформації з прив’язаного
«каналу» на верхній рівень)
• обробка вхідного/вихідного значення: масштабування (в т.ч. кусочно-лінійна
інтерполяція), фільтрування, інвертування;
• наявність режиму ручної зміни (форсування); відповідно до ISA-88 - «ручний
режим»
• наявність режиму імітації, в якому для вхідних змінних, значення змінюється
CM-мами верхнього рівня, а для вихідних змінних, відбувається замороження
значень вихідних каналів
• обробка тривог (ISA 18.2): реагування на порогові значення, врахування
затримки на спрацювання, гістерезис, формування загального системного біту
аварії/попередження;
• конфігурування обробки тривог (ISA 18.2): налаштування значень тривог, типів
тривог (аварія/попередження/відмова каналу), тимчасове зняття тривоги з
обслуговування;

25. Апробація
• певні елементи апробовані на Овідіопольскому ГРС (S7 1200
+ WinCC TIA Portal, Олесандр Пупена)
• триває апробація на Яготинському маслозаводі (S7 300 TIA
Portal + SCADA Zenon, Роман Міркевич )
• триває апробація і розвиток на кафедрі ІАСУ НУХТ (M340
Unity Pro + SCADA Zenon)

26. Вигляд вікна налаштування аналогових змінних («ГРС
Овідіопіль»)

27. Вигляд вікна налаштування дискретних змінних («ГРС
Овідіопіль»)

28. Ми тільки на початку шляху!
• https://sites.google.com/site/isa88inua/home
• www.asu.in.ua
• https://www.facebook.com/groups/MES.in.ua/