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

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 , …

Основні міжнародні стандарти: сфери застосування

Інфраструктура системи (ISA 18.2)

SIS - safety instrumented system (СПАЗ – система протиаварійного захисту ) BPCS - basic process control system (базова система керування процесом, РСУ, ПЛК)…

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

• 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»

Проблема спостережності (HMI), ситуаційної визначеності

http://www.yokogawausersconference.com/uploads/3/1/8/5/3185440/mesatutorial_-_isa101_hmiworkshop.pdf

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

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

пелюсткові діаграми

ієрархія сторінок

контекстна допомога

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

графічні KPI

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

Розвиток ISA 106 (Continues Process)

• …

• 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.

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)

Концепція 2. Процедурне та базове керування ISA 88/106

ISA 88 (Batch)

ISA 106 (Continues)

Концепція 3. Функціонування EM на базі автоматів станів ISA 88/106

ISA 106 (Continues) ISA 88 (Batch)

Концепція 3. Функціонування CM на базі автоматів станів ISA 88/106

Для CM обов'язковими є : • STA (STATUS + MODE) • CMD (COMMAND)

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

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

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

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)

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;

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:

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;

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)

Вигляд вікна налаштування аналогових змінних («ГРС Овідіопіль»)

Вигляд вікна налаштування дискретних змінних («ГРС Овідіопіль»)

Ми тільки на початку шляху!

• https://sites.google.com/site/isa88inua/home • www.asu.in.ua • https://www.facebook.com/groups/MES.in.ua/