Simatic WinCC (Windows Control Center – Центр управления Windows) – мощная SCADA система, предназначенная для управления и мониторинга технологических процессов, работающая под управлением операционных систем Microsoft Windows.
Данная операторская система была разработана в 1995 году и входила в семейство систем автоматизации Simatic компании Siemens AG. В настоящее время WinCC занимает первое место среди систем автоматизации в Европе и второе место на мировом рынке.
Основная конфигурация WinCC включает все стандартные для SCADA систем функции: регистрация данных о протекании технологического процесса [1, 2], оповещение об авариях, архивирование измеряемых значений, администрирование пользователей и визуализация.
Кроме стандартных качеств, система обладает рядом преимуществ, выделяющим ее среди других SCADA решений:
WinCC является частью комплексной систeмы автоматизации Totally Integrated Automation (TIA), что делает возможной полную интeграцию отдeльных компонeнтов автоматизации, а это, в свою очeредь, минимизирует затраты на проeктирование и поддeржание всeго жизнeнного цикла системы.
Cистема имеет мощные средства создания человеко-машинного интерфейса, позволяющие реализовать клиентские решения на базе web-технологий.
В базовую версию системы включен сильный масштабируемый исторический архив (Historian), работающий на Microsoft’s SQL Server. С помощью данного компонента реализуется архивирование текущих данных процесса, долгосрочное архивирование с возможностью сжатия и обработки данных и централизованный обмен данными [3, 4] с помощью сервера архивов.
WinCC обладает удобными и понятными средствами проектирования, упрощаю щими процесс работы и обучения: в систему встроен графический редактор с объектно-ориентированным подходом и возможностью создания индивидуальных надстроек и расширений на VB Script, Visual Basic для приложений, обширные библиотеки, возможность изменения проекта в режиме online и многие другие.
Система обеспечивает высокий уровень открытости и широкие возможности интеграции за счет стандартных интерфейсов, таких как ActiveX, OPC (OLE для управления процессом), интегрированных языков скриптов VBScript и ANSI-C, доступ к данным с помощью Open Development Kit (WinCC/ODK).
WinCC обладает удобным и привычным для пользователя MS Windows проводником, который является ядром системы проектирования – WinCC Explorer. В WinCC Explorer видна структура всего проекта и тут же происходит его администрирование.
С помощью WinCC Explorer осуществляется доступ к редакторам, предназначенным для проектирования подсистем. В системе существует определенный стандартный набор редакторов и интерфейсов позволяющих проектировать отдельные подсистемы, в соответствии с требуемым функционалом.
Рассмотрим компоненты Simatic WinCC.
WinCC является модульной SCADA системой, включающей стандартный набор модулей и дополнительные опции, cписок которых постоянно растет. Каждый модуль выполняет функции определенного редактора и состоит из систeмы исполнения и системы разработки.
1. Graphics Designer (Графический дизайнер) – система отображения объектов управления в графическом виде с помощью свободно конфигурируемых графических объектов и их связей. Система работает в режиме исполнения и создает кадры для визуализации процесса и управления объектом.
Графическая система WinCC делает возможным создание индивидуальных пользовательских интерфейсов для любого приложения, полностью соответствующих требованиям заказчика, обеспечивая этим оптимизацию всего процесса производства в целом.
Для создания удобного пользовательского интерфейса в системе есть все необходимые средства:
• стандартные объекты;
• кнопки, поля-флажки, группы кнопок выбора и ползунковые регуляторы;
• графические объекты;
• окна приложений и кадров;
• OLE объекты, элементы управления
• ActiveX;
• поля ввода и вывода, текстовые списки;
• двухмерные и трехмерные гистограммы;
• объекты, создаваемые пользователем.
2. Alarm Logging (Регистрация аварийных сообщений) – подсистема, предназначенная для регистрации и архивирования событий.
WinCC позволяет не просто выводить сообщения, но и записывать их в архивы, которые затем можно просмотреть и отфильтровать сообщения по их причинности. Данная функция способствует уменьшению затрат времени на поиск неисправности и предотвращению аварийных ситуаций в дальнейшем.
Существуют три вида сообщений:
1. Оперативные сообщения, отображающие состояние процесса;
2. Сообщения о неисправности, информи рующие о неисправности процесса;
3. Системные сообщения, уведомляющие об ошибках других приложений.
Сообщения, поступающие в систему могут иметь несколько статусов: «поступило», означает, что событие вызвавшее сообщение все еще актуально, когда событие исчезает статус меняется на – «ушло», если сообщение не нуждается в подтверждении статус будет – «квитировано».
Архивы сообщений создаются при помощи Microsoft SQL Server. Используя средства WinCC OLE-DB можно легко обращаться к этим архивам с помощью стандартизированного интерфейса баз данных.
3. Tag Logging (Регистрация тегов) – подсистема, позволяющая регистрировать и архивировать измеряемые значения параметров процесса. Данные о процессе отображаются с помощью специальных окон, в которых информация представлена в виде таблиц или кривых.
Редактор регистрации тегов предоставляет выбор способа сбора информации и вида, в котором она будет отображаться, имеются следующие варианты:
1. интерактивный трeнд, кривыe архивов, кривые функций;
2. отображение областей и предельных значений, ступенчатые кривые, градуированные кривые, таблицы;
3. переключение шкал, старт/стoп, постраничный просмoтр.
4. Report Designer (Дизайнер отчетов) – система, формирующая отчеты по определенному событию или хронологически.
В WinCC на стадии проектирования формируются задания на печать, в которых определяется шаблон, количество страниц и устройство вывода на печать. Это и определяет вид распечатываемого отчета с исполнительными данными. Для каждого вида журнала регистрации имеется свой шаблон.
Отчеты могут выводиться на печать ежечасно, ежедневно и тд., по наступлению какого либо события или по команде оператора.
Журналы регистрации могут включать данные из баз данных, что позволяет осуществить специальный объект Report Designer – таблица базы данных ODBC.
4. User Administrator (Администратор пользователей) – средство, позволяющее назначать и контролировать права доступа пользователей, как для процесса проектирования, так и в режиме исполнения.
Администратор системы имеет возможность создавать до 128 пользовательских групп, каждая группа может включать до 128 пользователей, каждый из которых имеет назначенные администратором права доступа.
Также есть возможность установки отдельного режима работы для каждого пользователя, время завершения сеанса может определятся к примеру от продолжительного бездействия.
5. Global Scripts (Глобальный сценарий) – это основной редактор для программирования на языке VBS.
В поставке системы WinCC имеется достаточное количество различных функций, однако также пользователям предоставляется возможность редактирования встроенных функций и создания своих собственных, для этого и существует редактор Global Scripts.
Данный компонент использует язык VBScript (VBS). Глобальный сценарий может использоваться для программирования глобальных макросов, независимых от кадра и не привязанных к графическому объекту, а также глобальных процедур, доступных во всем проекте.
6. Text Library (Текстовая библиотека) – инструментальное средство для создания и редактирования текстов пользователя. Главный компонент необходимый при создании многоязычных проектов.
В Text Library централизованно хранятся все тексты проекта, централизованно устанавливаются шрифты и осуществляются переводы текстов. В библиотеке хранится большое количество различных текстов, поэтому каждый из них имеет свой уникальный идентификатор, по которому система к нему обращается.
Тексты могут быть экспортированы из WinCC и при необходимости импортированы обратно.
Данный редактор содержит не только пользовательские тексты, но и существующие стандартные тексты WinCC, к примеру имена классов сообщений. При изменении языка проекта в каком либо редакторе, автоматически создается соответствующий этому языку столбец.
Рассмотрим средства обмена данными в WinCC.
В соврeменныx систeмаx автоматизaции все чаще требуется решение задач построенеия распрeделeнных прoмышлeнных сeтей с испoльзованиeм гибкиx протоколoв передачи дaнныx [5, 6].
В настоящее время существует огромное количество интерфейсов и протоколов передачи данных для создания сетей промышленного назначения. Наиболее распространенные среди них: Modbus, Ethernet, CAN, HART, PROFIBUS и пр.
Данные средства связи необходимы для передачи данных между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами и связи нижнего уровня АСУ ТП с верхним. Обеспечение надежного соединения и высокой скорости передачи данных осуществляется за счет индивидуального подхода к разработке протоколов. Протоколы создаются с учетом особенностей технических процессов и систем, а также особенностей всего производства.
Протоколы должны обладать не только свойствами надежности, но быть гибкими, простыми в использовании, функциональными средствами построения связи.
WinCC Advanced является открытой системой визуализации, которая способна поддерживать коммуникационный обмен данными с множеством систем автоматизации [7, 8]. Выбор вида используемой сети зависит от предъявляемых требований, в WinCC могут быть использованы следующие средства обмена данными:
• MPI
• PROFIBUS
• Industrial Ethernet
• Modbus
• OPC
Далее проведем описание интерфейса МРI.
MPI – Multi Point Interface (Многоточечный интерфейс) используется для построения небольших сетей на полевом уровне и уровне предприятия. Данный интерфейс используется только в SIMATIC S7. MPI позволяет экономично соединять небольшое количество станций. Однако интерфейс обладает низкой производительностью. Максимальное количество подключаемых станций – 32.
В МРI сетях используется доступный интерфейс МРI ПЛК, реализованный как программный. MPI использует метод доступа с передачей маркера. Право доступа передается поочередно от станции к станции с помощью, так называемого, маркера. При получении маркера станция имеет право послать сообщение, если же станция не посылает сообщение, то это право переходит к следующей станции. Обычно для реализации МРI сетей используется оптическая или электрическая сеть.
Протокол PROFIBUS имеет характеристики, указанные ниже.
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) – сеть, реализуемая на уровне предприятия и полевом уровне с ограниченным количеством станций, до 127. Первоначально, протокол разрабатывался компанией Simens для связи своих промышленных контроллеров. На данный момент он является одним из самых распространенных в Европе.
В сети с методом доступа PROFIBUS различаются два вида станций – активные и пассивные. Активные станции используют метод доступа с передачей маркера, в то время как пассивные станции используют метод доступа «ведущий-ведомый».
Активные станции передают сообщения по мере получения-передачи маркера. Если активная станция получила маркер, то она может опросить связанные с ней пассивные станции и послать сообщение им. Сами пассивные станции никогда не получают маркера.
PROFIBUS позволяет создать единую автоматизированную систему на уровне проводов и датчиков за счет объединения распределенных устройств и объединения функциональных и технологических особенностей связи полевого уровня [9].
Протокол оптимизирован для работы с различными приложениями и имеет три модификации:
PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral – Распределенная периферия) – использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Протокол ориентирован на организацию связи между контроллерами и устройствами ввода-вывода.
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification – Спецификация сообщений полевого уровня) – использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети.
PROFIBUS PA (Process Automation – Авто матизация процесса) – использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158–2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Преимуществом является возможность использования данного протокола во взрывоопасных зонах.
Сеть PROFIBUS может быть как оптической, так и электрической. Также возможно построение смешанной сети, состоящей из оптических и электрических сегментов.
Далее указаны особенности сети Ethernet.
Для построения промышленной сети наиболее оптимальным вариантом является сеть – Industrial Ethernet. Она подходит и для уровня управления и для уровня предприятия. Industrial Ethernet это открытая коммуникационная сеть, соответствующая стандарту IEEE 802.3.
Industrial Ethernet позволяет создавать сети с большим количеством подключаемых станций и возможностью передачи больших объемов информации на большие расстояния.
Главными преимуществами данной сети являются ее масштабируемость, открытость и широкое распространение.
Сеть использует принцип доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) – коллективный метод доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Перед тем как отправить сообщение станция проверяет, свободна ли шина. При одновременном отправлении сообщений двумя станциями происходит коллизия, после которой обе станции прекращают отправку сообщений. По истечению определенного периода времени посылка сообщений повторяется.
Сеть Industrial Ethernet может быть построена на оптических или электрических кабелях. Также возможно создание смешанной сети, включающей в себя оптические и электрические подсети. Это позволяет использовать преимущества обеих типов сетей.
Проведем анализ стандарта ОРС.
OPC (OLE for Process Control) – это промышленный стандарт, реализующий взаимодействие программных компонентов систем класса SCADA.
Стандарт был разработан на основе объектной модели СОМ/DСОМ фирмы Мicrosoft. COM (Component Object Model) – это концепция использования многопакетных объектов, осуществляющая удаленное управление функциями (методами) объектов так, как будто они находятся «рядом».
В случае расположения объекта в другой программе или на другом узле сети и в другом компьютере, технология будет называться DСОМ, то есть Distributed (распределенная). В распределенном варианте СОМ, функции объекта перехватываются специальным аген том рroxy/stub DLL, который их упаковывает и передает операционной системе. Операционная система далее доставляет вызов непосредственно до управляемого объекта и заставляет его выполнить запрашиваемую функцию.
С помощью технологии ОРС одни приложения могут связываться с другими, считывать и обмениваться данными и событиями, оповещать друг друга об авариях, осуществлять работу с архивами. При этом приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и распределено.
Стандарт ОРС поддерживается всеми ведущими производителями систем сбора данных и управления SCADA, а также производителями оборудования, что способствует их эффективному взаимодействию и слаженной работе.