SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Реализация программного обеспечения системы автоматизации экспериментов в SCADA TRACE MODE с использованием компонентных технологий

Национальный ядерный центр Республики Казахстан, г. Курчатов, Казахстан
Томский политехнический университет,  Россия

Рассмотрены вопросы повышения эффективности использования SCADA-системы TRACE MODE, как специального средства разработки программного обеспечения автоматизированных систем, при реализации САЭ термоядерной установки типа токамак.

Разработка программного обеспечения современных систем автоматизации экспериментов (САЭ) на электрофизических установках представляет собой сложную и неоднозначную задачу. Ведь в создании данного ПО имеется ряд существенных особенностей: неоднородность потоков информации, отсутствие заданного технологического регламента работы, наличие сложных форм визуализации потоков информации. Все это предполагает альтернативный подход к решению данной задачи. Рассмотрим один из вариантов реализации СЭА в SCADA TRACE MODE с использованием компонентных технологий.

Система автоматизации экспериментов (САЭ) на термоядерной материаловедческой установке КТМ, проектируемой в настоящее время в Национальном ядерном центре Республики Казахстан, имеет трехуровневую структуру, представленную на рис. 1. Нижний уровень (уровень I) системы управления включает в себя малоканальные контроллеры, выполняющие задачи управления отдельными блоками и агрегатами технологических систем, системы цифрового управления источниками питания электромагнитной системы, а также модули сбора данных диагностических систем. Средний уровень (уровень II) включает промышленные контроллеры и компьютеры, обеспечивающие координацию работы контроллеров первого уровня в рамках технологической подсистемы и их синхронизацию в ходе эксперимента. 
Tokomak_1.jpg
Рис. 1. Структурная схема системы автоматизации токамака КТМ


Верхний уровень (уровень III) САЭ токамака КТМ включает в себя:
к многотерминальный пульт главного оператора КТМ, который состоит из пульта общего управления экспериментом, пульта оператора технолога и пульта ведущего физика, обеспечивающих визуализацию на мнемосхемах параметров технологических систем и результатов физического эксперимента;
- панель коллективного пользования (ПКП), на которой отображается мнемосхема комплекса установки КТМ, выполняется предупредительная и аварийная сигнализация, а также представляются основные параметры эксперимента;
- стойка серверов информационно-измерительной системы (ИИС). 

Основными функциями третьего уровня СУТП являются: объединение в одну управляющую систему всего технологического оборудования КТМ; обработка, регистрация, представление технологической и экспериментальной информации на графических мнемосхемах и ее документирование; анализ аварийных ситуаций, формирование сообщений предупредительной сигнализации, отработка алгоритмов общей аварийной защиты КТМ. 

Общая структурная схема программного обеспечения системы показана на рис. 2 и состоит из следующих основных частей: программное обеспечение технологических и диагностических подсистем I уровня, программное обеспечение ЭВМ стойки СУТП, осуществляющей общее управление процессом вакуумно-технологической подготовки, программное обеспечение ЭВМ стойки СУП для управления плазменными процессами и источниками питания электромагнитной системы (ЭМС), программное обеспечение ЭВМ стойки системы синхронизации и противоаварийной защиты (СС и СПЗ), выполняющей координацию работы систем управления, их синхронизацию, а также функции защит и блокировок по комплексу в целом. 

Важное место в структуре программного обеспечения САЭ занимает ПО верхнего уровня, поэтому уделим особое внимание макетированию функций, решаемых на данном уровне, и механизмов межуровневой передачи данных. 
Разработка программного обеспечения современных систем автоматизации экспериментов (САЭ) на электрофизических установках представляет собой сложную задачу, успешное решение которой определяется многими факторами. В качестве наиболее значимых из них можно выделить:
- соответствие принятой на этапе технического проектирования САЭ архитектуры программного обеспечения системным требованиям;
- качество организации процесса разработки программного кода с возможностью контроля результатов разработки и их верификации;
- эффективность применения современных технологий программирования и специальных средств разработки, выбранных для реализации программного обеспечения системы.

Настоящая статья посвящена третьему из названных факторов, а именно, рассмотрению вопросов повышения эффективности использования SCADA-системы TRACE MODE, как специального средства разработки программного обеспечения автоматизированных систем, при реализации САЭ термоядерной установки типа токамак. За критерий эффективности в этом случае принято следующее выражение:
Tokomak_f.jpg(1)

где Nc.p. - количество различных средств разработки и программных технологий, используемых при реализации программного обеспечения САЭ;
Nф.з. - количество функциональных задач системы, реализованных этими средствами.

Обеспечить минимум критерия (1), достигаемый при Nc.p. = 1 в случае САЭ, затруднительно, поскольку САЭ электрофизической установки, как отмечается в [1], характеризуется в отличие от АСУ ТП такими особенностями, как: отсутствие заданного технологического регламента работы, неоднородность потоков информации, циркулирующих в системе, и наличие сложных форм визуализации экспериментальных данных. Названные особенности САЭ заставляют разработчиков программного обеспечения наряду с классическими средствами SCADA-систем обращаться к использованию дополнительных инструментов, например, интерпретаторов командных языков, программ символьного анализа, ОС и СУБД реального времени, систем обработки и визуализации многомерных данных и результатов измерения быстропротекающих процессов. Следствием этого является существенное усложнение и удорожание всего программного комплекса САЭ.
Tokomak_2.jpg
Рис. 2. Архитектура программного обеспечения САЭ токамак КТМ

Авторами статьи принят альтернативный подход к разработке программного обеспечения САЭ, который предполагает расширение функциональных возможностей SCADA-системы TRACE MODE, как основного средства программирования алгоритмов управления технологическими процессами экспериментального комплекса, на основе применения компонентных технологий ActiveX и ОРС.

ActiveX-технология в данном случае рассматривается как гибкое средство, позволяющее практически неограниченно развивать пользовательский интерфейс оператора САЭ. Причем необходимость написания собственных ActiveX-объектов может быть сведена до минимума при условии приобретения стандартных библиотек ActiveX-компонентов, специально ориентированных на решение задач автоматизации, например, таких как Iocomp Instrumentation Components (“Iocomp Software”, Канада) или ComponentWorks (“National Instruments”, США). 

OPC-технология, в свою очередь, рассматривается как средство развития возможностей SCADA-системы по обработке неоднородных потоков данных, а также как средство интеграции SCADA с программируемыми приборами, встроенными элементами управления и специализированными контроллерами с магистрально-модульной архитектурой (выполненными в стандарте VME, CAMAC), число которых в составе САЭ достаточно велико.

Остановимся более детально на рассмотрении проблем реализации визуальных форм пользовательского интерфейса для пультов САЭ с использованием ActiveX-компонентов и интеграции этих компонентов в SCADA-систему TRACE MODE. Следует отметить, что такой акцент в данном случае сделан не случайно и вызван повышенными требованиями, предъявляемыми в САЭ к функциям визуализации экспериментальных данных, как после экспериментальной обработки, так и в реальном масштабе времени при проведении экспериментов. Кроме этого, в состав средств отображения информации САЭ входит ряд пультов и панелей коллективного пользования (ПКП), различных по своему функциональному назначению, отличающихся составом и формой представления выводимой информации и обеспечивающих одновременную совместную работу операторов САЭ и ученых-исследователей по управлению экспериментальным комплексом и выполнению программы эксперимента. Следовательно, программное обеспечение пультов составляет существенную часть всего программного комплекса САЭ, которая фактически определяет эксплуатационную эффективность системы, и упрощение ее разработки является весьма актуальным.

Tokomak_3.jpg
Рис.3. Размещение средств отображения информации в пультовой САЭ


Размещение средств отображения информации в пультовой САЭ показано на рис. 3. 
Пульт оператора-технолога предназначен для наблюдения за процессами вакуумно-технологической подготовки камеры токамака к экспериментам. Для создания графического интерфейса этого пульта достаточно использования базовых возможностей TRACE MODE. 
Пульт ведущего физика используется для отображения в паузах между плазменными разрядами результатов эксперимента, часть которых представлена функциями, зависящими как от пространственных, так и от временных координат. 

Особое значение в САЭ имеет пульт общего управления экспериментом. Данный пульт используется главным образом в пусковом режиме работы установки, в течение которого инженер-исследователь должен иметь возможность на основе анализа комплексной информации о состоянии технологических систем и параметрах плазменных процессов оперативно вводить изменения в программу эксперимента, контролировать готовность подсистем САЭ к экспериментам, в интерактивном режиме вводить команды пуска и остановки плазменных разрядов. 

ПКП предназначены для вывода обобщенной информации о ключевых параметрах технологических систем комплекса, результатов анализа аварийных и предаварийных ситуаций, целевых и достигнутых параметрах плазмо-физических процессов. 

При разработке графического интерфейса пультов естественным является стремление применить единый инструментарий - TRACE MODE 5, что позволит сократить объем подготавливаемых визуальных форм отображения, обеспечит гибкость при компоновке и унификацию мнемосхем как в пределах графического пространства одного пульта, так и для группы пультов САЭ.

Tokomak_4.jpg
Рис.4. Active- X форма и компонент 3D graph

Далее рассмотрим процесс подготовки и включения ActiveX -объектов в графическое пространство TRACE MODE и покажем приемлемость этого решения для визуализации трехмерной функции распределения плотности тока Jp(R,z) по сечению плазменного шнура. В качестве базового при этом взят визуальный компонент 3DGraph из библиотеки ComponentWorks (рис. 4), который предоставляет трехмерное графическое ядро и позволяет строить 3D графики. Чтобы упростить разработку ActiveX-приложений, должна быть выбрана программная платформа, которая позволяла бы модифицировать базовые компоненты ActiveX, вне зависимости от среды разработки. В качестве такой платформы выбрана система программирования Delphi фирмы Borland, обеспечивающая гибкий механизм создания визуальных компонент ActiveX в специально созданной для этих целей среде программирования, называемой DelphiActiveX (DAX) [2].

Механизм создания ActiveX-компонент в среде DAX включает пять этапов. Подключение созданного средствами DAX-компонента 3D_Plot к TRACE MODE выполняется с помощью редактора представления данных (РПД), который позволяет разместить на экране проекта ActiveX-компонент из состава зарегистрированных в системе. При установке компонента автоматически открывается его страница свойств, в которой выполняется привязка свойств компонента к каналам TRACE MODE и выбирается направление передачи данных: привязка типа ВХОД - значение свойства канала передается свойству компонента; привязка типа ВЫХОД - значение свойства компонента передается свойству канала (рис. 5). На рис. 6 показан результат выполнения компоненты 3D_Plot в режиме эмуляции проекта TRACE MODE.

Tokomak_5.jpg
Рис. 5. Этап редактирования свойств в Trace Mode

Общая структурная схема программного комплекса САЭ подробно рассмотрена в [1]. С целью проверки работоспособности созданного компонента в условиях САЭ выделены основные элементы программной структуры, обеспечивающие получение, передачу и отображение измерительной информации. Схема взаимодействия этих программных элементов показана на рис. 7. Сервер архивирования и доступа к оперативным данным функционирует под управлением операционной системы Linux с ядром, модифицированным для решения задач реального времени. Назначение сервера заключается в координации информационных потоков между ЭВМ верхнего уровня САЭ и подсистемами управления технологическими процессами и диагностическими комплексами информационно измерительной системы. Программное обеспечение сервера сбора данных состоит из двух частей: часть, взаимодействующая с технологическими и диагностическими подсистемами через внешние порты, и часть, обеспечивающая обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня, к которым, в частности, относятся и ЭВМ операторских пультов. 

Промежуточным звеном между этими частями выступает динамическая база данных технологической и диагностической информации, размещаемая в оперативной памяти. Эта область памяти циклически обновляется в результате информационного обмена сервера доступа к оперативным данным с подсистемами управления и диагностики. Программное обеспечение сервера выполняет предварительную обработку получаемой измерительной информации и вычисление результатов косвенных измерений. Так, в частности, на основе результатов измерения внешнего магнитного поля плазмы вычисляются параметры профиля плотности тока Jp(R,z) в сечении плазменного шнура. Полученные при этом значения плотности тока плазмы в виде двумерного массива передаются в МРВ TRACE MODE, работающий на ЭВМ пульта общего управления. Так как прямой информационный обмен МРВ и сервера архивирования невозможен, для решения этой задачи выполнена разработка дополнительного программного модуля, называемого транслятор запросов.

Tokomak_6.jpg
Рис. 6. Выполнение компонента в режиме эмуляции

Транслятор запросов выполняется на клиентской машине и преобразует программные запросы, поступающие от мониторов реального времени TRACE MODE, в формат, удобный для последующей передачи, по сетевому протоколу TCP/IP к серверу доступа к оперативным данным. В свою очередь, для передачи данных между транслятором и МРВ TRACE MODE используется протокол DDE, поддерживаемый TRACE MODE. 
Важно отметить, что необходимость использования транслятора запросов отпадет при переходе на TRACE MODE версии 6, в которой для организации сетевого обмена будет использоваться транспортный протокол TCP/IP [3]. Поступающие в МРВ от транслятора запросов данные пересылаются в базу каналов TRACE MODE. Затем 3D_Plot-компонент отрабатывает поступающие из каналов МРВ значения, в результате чего происходит построение зависимости Jp(R,z) и ее перерисовка в темпе изменения плазменного процесса.

В результате проведенных испытаний программного комплекса, построенного в соответствии со схемой, показанной на рис. 5, была подтверждена работоспособность ActiveX-компонент совместно с монитором реального времени TRACE MODE. 

Достигаемые при этом характеристики по скорости перерисовки форм и качеству графического представления данных измерения многомерных функций удовлетворяют системным требованиям. Повышение эффективности применения TRACE MODE достигается в данном случае за счет совмещения в общем графическом пространстве пульта общего управления экспериментом и пульта ведущего физика, а также панелей коллективного пользования как параметров технологических систем экспериментального комплекса, так и параметров плазмо-физических процессов. При этом исключается необходимость в использовании специализированных программ обработки и визуализации экспериментальных данных.

Tokomak_7.jpg
Рис. 7. Схема взаимодействия основных программных элементов САЭ

Литература:  
  1. Л.Н. Тихомиров, В.К. Ясельский и др. “Использование системы TRACE MODE при автоматизации исследований на термоядерной установке КТМ” //Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика.- №1, 2002.- с. 33-38.
  2. Конопка Рэй. “Создание оригинальных компонент в среде Delphi” - К.:НИПФ - “ДиаСофт Лтд.”, 1996.- 512с.
  3. В.С. Айзин “Trace Mode 6: Архитектура и основные компоненты”.- Девятая международная конференция “РАЗРАБОТКА АСУ ТП В СИСТЕМЕ “ТРЕЙС МОУД”: задачи и перспективы”, г.Москва, 2003.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(7)_2005 

Л.Н. Тихомиров, И.Л. Тажибаева, 
Национальный ядерный центр Республики Казахстан, г. Курчатов, Казахстан, 
E-mail: nnc@nnc.kz 
В.М. Павлов, К.И. Байструков, Е.А. Драпико, А.В. Шарнин, В.А. Кудрявцев,
Томский политехнический университет, г.Томск, Россия,  
E-mail: tpu@tpu.ru