Primer uporabe integriranega orodja za vodenje procesovev.fe.uni-lj.si/1-2-2003/zorzut.pdf ·...

7
Elektrotehniˇ ski vestnik 70(1-2): 26–33, 2003 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija Primer uporabe integriranega orodja za vodenje procesov Sebastjan Zorzut, Giovanni Godena, Vladimir Jovan Institut Joˇ zef Stefan, Odsek za sisteme in vodenje, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija E-poˇ sta: {Sebastjan.Zorzut, Giovanni.Godena, Vladimir.Jovan}@ijs.si Povzetek. clanku je opisan primer graditve sistema vodenja procesa priprave plina v procesnem laboratoriju z uporabo integriranega programskega orodja Siemens Simatic PCS7. PCS7 je primer sodobnega, integriranega orodja za graditev sistemov vodenja kontinuirnih, diskretnih kot tudi ˇ sarˇ znih procesov. Opisan je sistemski pristop h graditvi sistema vodenja na podlagi metode ˇ zivljenjskega cikla. Definirana je notacija specifikacij, katere glavna elementa sta diagram prehajanja stanj in psevdojezik ter preslikava specifikacije v SFC-diagram, ki je programski jezik za programiranje postopkovnega vodenja v orodju PCS7. Orodje PCS7 ni popolnoma integrirano, saj uporablja dve podatkovni bazi, kar ima za posledico doloˇ cene pomanjkljivosti v ˇ casu razvoja sistema vodenja in redundantnosti uporabljene programske kode. Prednost se kaˇ ze v uporabi knjiˇ znic blokov s predefiniranimi ˇ celnimi ploˇ cami za prikaz na nadzorni ravni vodenja. Kljuˇ cne besede: vodenje procesov, ˇ zivljenjski cikel, specificiranje, integrirani sistemi vodenja, PCS7 Case Study of the Use of an Integrated Tool in Process Control Extended abstract. Nowadays a manufacturing enterprise must be efficient and flexible. The current business environment demands an instantaneous reaction to customers needs, short production cycles, product diversification, minimal inventories, extremely short lead times, concurrent processing of different products and short delivery times. In order to acquire accurate and real-time data needed for taking fast and accurate decisions and actions, companies have been forced to introduce computer based information systems at all their business and production management levels. However the experience shows that the de- gree of coupling different information systems installed to sup- port particular management activities has not been realized to the point that would assure data integration among all the lev- els of the management hierarchy. There are many causes of this state: different application providers and times of information systems implementation, incompatibility of the company’s ex- isting hardware and software, inadequate communication infras- tructure and choice of the key data for particular management activities, and the last but not the least an improper organization of management in a production factory. A production management system, which comprises control of different devices, machines, technological lines and plants as well as overall production management, consists of several intel- ligent sensors, actuators, controllers, communicational devices, displays, printers, software tools and packages of different age origin and producers. Integration of all these components into an efficient production management system is a demanding task usually giving rise to several problems during their maintenance or upgrading. Software tool providers have become aware of these prob- lems. During the last decade some new software solutions have been offered reducing to a certain extent problems of integra- tion, upgrading and maintenance of production management systems. One of such products is the Siemens PCS7 Software Tool. Our paper reports about our experiences in the use of this Prejet 12. februar, 2002 Odobren 30. oktober, 2002 tool during the implementation of a gas preparation process con- trol system. The paper consists of three main parts. The first part briefly describes a gas preparation sub-process as part of a semi- industrial process laboratory test bed installed at the Joˇ zef Ste- fan Institute to serve numerous purposes such as testing and verification of contemporary commercially available software products and other equipment for process control. The sec- ond part describes the PCS7’s architecture and its functionali- ties. The benefits of integrated systems with just one database and weaknesses of using two connected databases, as is the case with PCS7, are discussed. CFC and SFC diagrams were used as the main programming languages during the development of our process control system, and WinCC - a stand-alone SCADA package integrated in PCS7 - was employed for data acquisition and supervisory tasks. To manage more efficiently the complex- ity of development, implementation, use and maintenance of the gas preparation sub-process control system, a life-cycle method- ology, also briefly explained in the paper, was applied. The Pro- cedural Control Part of the control system is described using ProcGraph notation. This notation as well as its translation into the above programming languages supported by PCS7 system is described. Finally, some important experiences that were gained dur- ing the design and implementation of the gas preparation pro- cess control system are listed. Special attention is given to our observations when using a systematic approach to the process control system design and to the employability of PCS7 as an integrated programming tool in this context. Key words: process control, life-cycle, specification, integrated control systems, PCS7

Transcript of Primer uporabe integriranega orodja za vodenje procesovev.fe.uni-lj.si/1-2-2003/zorzut.pdf ·...

Elektrotehniski vestnik 70(1-2): 26–33, 2003Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija

Primer uporabe integriranega orodja zavodenje procesov

Sebastjan Zorzut, Giovanni Godena, Vladimir JovanInstitut Jozef Stefan, Odsek za sisteme in vodenje, Jamova 39, 1000 Ljubljana, SlovenijaE-posta: {Sebastjan.Zorzut, Giovanni.Godena, Vladimir.Jovan}@ijs.si

Povzetek. V clanku je opisan primer graditve sistema vodenja procesa priprave plina v procesnem laboratoriju zuporabo integriranega programskega orodja Siemens Simatic PCS7. PCS7 je primer sodobnega, integriranegaorodja za graditev sistemov vodenja kontinuirnih, diskretnih kot tudi sarznih procesov. Opisan je sistemski pristoph graditvi sistema vodenja na podlagi metode zivljenjskega cikla. Definirana je notacija specifikacij, katere glavnaelementa sta diagram prehajanja stanj in psevdojezik ter preslikava specifikacije v SFC-diagram, ki je programskijezik za programiranje postopkovnega vodenja v orodju PCS7. Orodje PCS7 ni popolnoma integrirano, sajuporablja dve podatkovni bazi, kar ima za posledico dolocene pomanjkljivosti v casu razvoja sistema vodenja inredundantnosti uporabljene programske kode. Prednost se kaze v uporabi knjiznic blokov s predefiniranimicelnimi ploscami za prikaz na nadzorni ravni vodenja.

Kljucne besede: vodenje procesov, zivljenjski cikel, specificiranje, integrirani sistemi vodenja, PCS7

Case Study of the Use of an Integrated Tool in Process Control

Extended abstract. Nowadays a manufacturing enterprise mustbe efficient and flexible. The current business environmentdemands an instantaneous reaction to customers needs, shortproduction cycles, product diversification, minimal inventories,extremely short lead times, concurrent processing of differentproducts and short delivery times. In order to acquire accurateand real-time data needed for taking fast and accurate decisionsand actions, companies have been forced to introduce computerbased information systems at all their business and productionmanagement levels. However the experience shows that the de-gree of coupling different information systems installed to sup-port particular management activities has not been realized tothe point that would assure data integration among all the lev-els of the management hierarchy. There are many causes of thisstate: different application providers and times of informationsystems implementation, incompatibility of the company’s ex-isting hardware and software, inadequate communication infras-tructure and choice of the key data for particular managementactivities, and the last but not the least an improper organizationof management in a production factory.

A production management system, which comprises controlof different devices, machines, technological lines and plants aswell as overall production management, consists of several intel-ligent sensors, actuators, controllers, communicational devices,displays, printers, software tools and packages of different ageorigin and producers. Integration of all these components intoan efficient production management system is a demanding taskusually giving rise to several problems during their maintenanceor upgrading.

Software tool providers have become aware of these prob-lems. During the last decade some new software solutions havebeen offered reducing to a certain extent problems of integra-tion, upgrading and maintenance of production managementsystems. One of such products is the Siemens PCS7 SoftwareTool. Our paper reports about our experiences in the use of this

Prejet 12. februar, 2002Odobren 30. oktober, 2002

tool during the implementation of a gas preparation process con-trol system.

The paper consists of three main parts. The first partbriefly describes a gas preparation sub-process as part of a semi-industrial process laboratory test bed installed at the Jozef Ste-fan Institute to serve numerous purposes such as testing andverification of contemporary commercially available softwareproducts and other equipment for process control. The sec-ond part describes the PCS7’s architecture and its functionali-ties. The benefits of integrated systems with just one databaseand weaknesses of using two connected databases, as is the casewith PCS7, are discussed. CFC and SFC diagrams were usedas the main programming languages during the development ofour process control system, and WinCC - a stand-alone SCADApackage integrated in PCS7 - was employed for data acquisitionand supervisory tasks. To manage more efficiently the complex-ity of development, implementation, use and maintenance of thegas preparation sub-process control system, a life-cycle method-ology, also briefly explained in the paper, was applied. The Pro-cedural Control Part of the control system is described usingProcGraph notation. This notation as well as its translation intothe above programming languages supported by PCS7 system isdescribed.

Finally, some important experiences that were gained dur-ing the design and implementation of the gas preparation pro-cess control system are listed. Special attention is given to ourobservations when using a systematic approach to the processcontrol system design and to the employability of PCS7 as anintegrated programming tool in this context.

Key words: process control, life-cycle, specification, integratedcontrol systems, PCS7

28 Zorzut, Godena, Jovan

1 Uvod

V sodobnih razmerah poslovanja sta za uspesnostproizvodnega podjetja bistveni proizvodnja kakovostnegaizdelka s cim manjsimi stroski in hkrati sposobnosthitrega prilagajanja razmeram na trgu ali spreminjajocimse zahtevam kupcev. Eden najpomembnejsih pogojev zataksno poslovanje je, da se strategija poslovanja in vo-denje na vseh hierarhicnih nivojih vodenja podjetja (vo-denje posameznih naprav, vodenje linije ali obrata, vo-denje celotne proizvodnje, vodenje podjetja) oblikujetana podlagi dejanskih podatkov o stanju proizvodnje, za-logah, narocilih, analizi potreb na trgu itd. Odlocanje kotfunkcija vodenja v podjetju mora temeljiti na uporabi inizmenjavi azurnih in tocnih podatkov med vsemi poslov-nimi procesi v proizvodnem podjetju in ne na obcutkihali predpostavkah. Zagotavljanje azurnosti in pravilnostivseh informacij, ki so potrebne za ucinkovito vodenje pro-cesov v podjetju, je brez sodobne informacijske podporev najboljsem primeru zamudno in neucinkovito, v najs-labsem pa obsojeno na neuspeh.

Zato so racunalniski sistemi vodenja za podporoposlovnih aktivnosti podjetja kot tudi racunalnisko pod-prti sistemi za vodenje tehnoloskega procesa v sodob-nih podjetjih ze vsakdanjost. Vendar izkusnje kazejo, dase med posameznimi namenskimi sistemi vodenja posa-meznih procesov podjetja navadno ne doseze toliksna po-datkovna sklopljenost, ki bi zagotavljala azurnost pretokapodatkov med celotno strukturo sistema vodenja podjetja.Razlogov za to je vec: razlicni izvajalci aplikacij, ra-zlicni casi uvajanja racunalniske opreme, pomanjkljivokomunikacijsko omrezje, nezdruzljivost obstojece pro-gramske opreme v podjetju, neustrezna izbira kljucnihpodatkov za posamezne procese v podjetju, ne nazadnjetudi neustrezna organizacija vodenja podjetja.

Ce se omejimo samo na nivo vodenja tehnoloskegapostopka proizvodnje, ki obsega krmiljenje in regula-cijo posameznih naprav in strojev, vodenje posameznetehnoloske linije ali obrata in vodenje celotnegatehnoloskega postopka, vidimo, da je v tovrsten sistemvodenja vkljucena mnozica racunalnisko podprtih senzor-jev, aktuatorjev, krmilnikov, regulatorjev, komunikacij-skih enot, prikazovalnikov in razlicna programska opremater namenska programska orodja razlicnih dobaviteljev,ki skupaj omogocajo vodenje tehnoloskega procesa. Zapovezavo teh gradnikov v ucinkovit in enovit sistem vo-denja je treba vloziti veliko napora predvsem pri izmen-javi podatkov med posameznimi gradniki sistema, kjernastajajo problemi z razlicnimi formati podatkov, lociran-jem podatkov v lokalnih podatkovnih bazah in njihovodosegljivostjo. Tega problema se izdelovalci tovrstneopreme zavedajo in ga resujejo s standardizacijo oblikepodatkov in podatkovnih baz.

Problem pa ostane ob spremembah tehnoloskegapostopka, ob zamenjavi ali vkljucevanju novih naprav

oziroma strojev ali posodobitvi samega sistema vodenja– takrat je ponovno treba vzpostaviti dostop do obstojecihin novih podatkov in preverjati konsistentnost povezav.Zato tudi navidezno majhna sprememba v arhitekturi sis-tema vodenja zahteva obilo rocnega dela za ponovnodoseganje funkcionalnosti sistema. Nekateri izdelovalcigradnikov vodenja proizvodnih sistemov so se tega prob-lema ze zavedli in so pripravili resitve, ki zmanjsujejote probleme pri razvoju, nadgradnji in vzdrzevanju sis-temov vodenja. V clanku predstavljamo nase izkusnje priuporabi tovrstnega programskega orodja Siemens SimaticPCS7.

Clanek je sestavljen takole: v prvem delu je nakratko opisan testni proces priprave plina, temu slediopis sistema Siemens Simatic PCS7 vkljucno s primeriuporabe posameznih modulov tega orodja na testnem pro-cesu. V nadaljevanju je podana metodologija graditvesistema za vodenje procesov na principu zivljenskegacikla s poudarkom na specifikacijah, za katero je bilauporabljena notacija ProcGraph; posebej je opisana pres-likava psevdokode v izvrsni program sistema PCS7.Clanek se koncuje s spoznanji in izkusnjami, ki so si jihavtorji pridobili pri spoznavanju orodja in njegovi imple-mentaciji na testnem procesu priprave plina.

2 Procesni laboratorij

Raziskovalna skupina Odseka za racunalnisko avtomati-zacijo in regulacije na Institutu Jozef Stefan razpolagas polindustrijskim procesnim laboratorijem s pravo in-dustrijsko procesno opremo in napravami industrijskihrazseznosti, ki je namenjen izobrazevanju in raziskavam[1]. Procesni laboratorij je sestavljen iz petih tehnoloskihsklopov, ki lahko delujejo samostojno ali pa med sebojpovezano [2]. Proces priprave plina je namenjen zaje-manju dimnih plinov iz procesa zgorevanja in njegovipripravi za uporabo v procesu kemijske nevtralizacije.Pline zajemamo s pomocjo vodne crpalke in injektorja,kjer se plin mesa z vodo, ki jo crpalka crpa iz shranjevalneposode, in se s tem ohladi. Mesanico vode in ohlajenegaplina nato vodimo v locevalno posodo, ki je opremljenaz dvema zvezno krmiljenima pnevmatskima ventiloma.Prvi, ki je namescen na dnu posode, sluzi za regula-cijo nivoja vode v locevalniku, drugi, ki je namescen naizhodu iz vrha posode, pa je namenjen regulaciji tlakaplina v posodi. Voda izteka zaradi nadtlaka iz locevalneposode v shranjevalno posodo, kjer se tokokrog vode sk-lene.

3 Sistem Siemens Simatic PCS7

Sistem za vodenje industrijskih procesov SiemensSimatic PCS7 temelji na Windows NT tehnologiji in jeprimer integriranega sistema, s katerim lahko vodimo pro-cese zvezne in sekvencne narave, z uporabo dodatnega

Primer uporabe integriranega orodja za vodenje procesov 29

modula Batch Flexible pa tudi procese sarzne narave [3].Osnova programskega dela sistema je paket Simatic

Manager, v okviru katerega je zajeto konfiguriranje inparametriranje strojne opreme, programiranje algoritmovvodenja in konfiguriranje nadzornega nivoja vodenja.Realizacija algoritmov vodenja je mogoca z uporabozveznih funkcijskih diagramov (CFC – Continuous Func-tion Chart) in sekvencnih funkcijskih diagramov (SFC– Sequential Function Chart). Nadzorni sistem vodenjaje izveden s samostojnim programskim paketom za nad-zor in vodenje procesov WinCC, ki je integriran v sistemPCS7. Strojni del sistema je realiziran z zmogljivimi inzanesljivi procesorji druzine S7-400, na katerih tecejo al-goritmi vodenja procesa. Siemens je v svojih prizade-vanjih za popolno integrirano avtomatizacijo (Totaly In-tegrated Automation) v sistem vkljucil tudi vmesnik zakomunikacijo z visjimi nivoji vodenja (SAP/R3).

V grobem se sistem deli na tri dele:

• Inzenirski sistem (Engineering System)

• Operaterske postaje (Operator Station): to jevmesnik clovek-stroj, ki ga predstavlja SCADA -WinCC

• Sistem avtomatizacije (Automation System): semspadajo visoko zmogljivi krmilniki serije S7-400s pripadajocimi distribuiranimi vhodno/izhodnimienotami.

Komunikacija med inzenirskim sistemom, operater-sko postajo in sistemom avtomatizacije poteka po komu-nikacijskem protokolu MPI (Multi Point Interface) ali In-dustrial Ethernet, medtem ko je povezava krmilnika sprocesom izvedena prek distribuiranih vhodno/izhodnihenot (ET200M) in podrocnih naprav (Field Devices) zvodilom Profibus-DP (Decentralized Peripherical).

4 Inzenirski sistem ES

Osrednji in samostojni inzenirski sistem omogoca cen-tralizirano inzenirsko delo na enem racunalniku nad ka-terim koli delom procesa v okviru industrijskega ob-jekta. S taksnim inzenirskim sistemom lahko z enegamesta upravljamo z vsemi sistemskimi komponentami,od operaterskih postaj, sistemov avtomatizacije vse donivoja naprav. Temelj inzenirskega sistema s skupno bazopodatkov tvori programsko okolje imenovano SimaticManager in je sestavljeno iz osnovnega inzenirskegapaketa (Step7), katerega dopolnjujejo procesno orien-tirana orodja (CFC, SFC, SCL, WinCC) in knjiznicefunkcijskih blokov. Shematicni prikaz okolja SimaticManager prikazuje slika 1. Projekt upravljamo v dvehoknih:

• tehnolosko orientiranem oknu

• oknu Pregled uporabljenih komponent.

Slika 1. Shema sistema za vodenje PCS7Figure 1. Scheme of PCS7 control system

V tehnolosko orientiranem oknu zgradimo drevesnostrukturo s pomocjo map, ki ustrezajo dejanski tehnoloskishemi procesa. Na najvisjem nivoju je mapa z imenomprojekta (Project), sledi ji mapa z imenom obrata (Plant),v katero so vstavljene mape z imeni enot (Unit) v temobratu, vsaka enota pa ima svoje podenote ali funkcijskesklope, v katere lahko vstavljamo CFC- in SFC-diagrame,slike, porocila itd. Okno s pregledom uporabljenih kom-ponent je namenjeno programiranju Simatic programabil-nih logicnih krmilnikov (PLK) z lestvicnim diagramom(LAD, angl. Ladder Diagram), digramom funkci-jskih blokov (FBD, angl. Function Block Diagram) innizjenivojskim programskim jezikom STL (angl. State-ment List Programing Language). Poleg tega v tem oknus pomocjo namenskega programa Hardware programskokonfiguriramo in parametriziramo strojno opremo, kot soPLK-ji, vhodno-izhodne naprave in mreze.

5 Programski paket CFC

Programski paket CFC (Continuous Function Chart) jegraficni programski jezik, ki ga lahko uporabljamo vpovezavi s programskim paketom STEP 7 [4]. Programstrukturiramo tako, da v CFC-diagrame vstavljamo os-novne bloke, jim prirejamo ustrezne parametre in jihpovezujemo med seboj, pri tem pa lahko med sebojpovezujemo tudi bloke, ki so v razlicnih CFC-diagramih.Povezani funkcijski bloki tvorijo zvezno orientiran algo-ritem vodenja. Bloke vnasamo iz knjiznice funkcijskihblokov, ki je razdeljena v tri dele:• Knjiznica osnovnih blokov, s katerimi generiramo

odlocitveno logiko, vmesnike za nadzorni nivo itd.• Knjiznica tehnoloskih blokov: Tehnoloski bloki so

vmesniki za tehnoloske entitete, ki nastopajo v pro-cesni industriji (PID regulatorji, motorji, ventili, itd)

• Knjiznica blokov podrocnih naprav: Ti bloki sovmesnik z inteligentnimi podrocnimi napravami(frekvencni pretvorniki, zunanji regulatorji itd.), kiso prikljucene na Profibus DP-mrezo krmilnika.

Funkcijski bloki tehnoloskih entitet, podrocnih napravin nekateri osnovni bloki imajo vgrajene diagnosticnefunkcije in alarmiranje ter predkonfigurirane celne plosce(Face Plate) z vsemi informacijami, ki jih prikazemo nanadzornem nivoju.

30 Zorzut, Godena, Jovan

6 Programski paket SFC

S SFC-programom tvorimo SFC-diagrame, s katerimiizvedemo postopkovno vodenje procesa [5]. SFC-diagram je sestavljen iz korakov (Steps) in prehodov(Transitions). V korakih se izvrsujejo akcije vrsticno,tako kot v programskih jezikih, v prehodih pa deklariramopogoje za prehod iz enega koraka v drugega. Pogoji in ko-raki vedno nastopajo v parih, kjer prehod sledi koraku,kateremu pripada. Akcije v korakih preprosto deklari-ramo kot povezave s funkcijskimi bloki v CFC-diagramihin tako realiziramo povezavo zveznega in sekvencnegavodenja. Programa SFC in CFC skupaj tvorita mocnoorodje za generiranje algoritmov vodenja za vsa podrocjaprocesne industrije.

V CFC-diagramu lahko uporabimo poseben blokSFC CTRL, s katerim preverjamo in upravljamo SFC-diagram, to pomeni, da lahko iz CFC-diagrama vplivamona SFC-diagram. Tako kot preostale CFC-bloke lahkotudi SFC CTRL-blok upravljamo s SFC-diagramom, kartudi pomeni, da lahko z enim SFC-diagramom upravl-jamo druge SFC-diagrame. Tako lahko uporabimo en os-novni SFC diagram, s katerim zgradimo osnovo postop-kovnega vodenja procesa, z njim pa klicemo preostaleSFC-diagrame, s katerimi smo realizirali npr. razlicnastanja in nadstanja postopka.

7 Testni nacin delovanja

V testnem nacinu delovanja programa CFC lahko v re-alnem nacinu testiramo in spreminjamo vrednosti spre-menljivk funkcijskih blokov, v programu SFC pa testi-ramo prehode in korake sekvencnih diagramov. Za lazjedelo si lahko ustvarimo tudi tabelo spremenljivk (Vari-able Table), ki jo povezemo “on-line” s programom, kitece na PLK in spremljamo vrednosti spremenljivk, lahkopa njihove vrednosti tudi spreminjamo. Primer SFC-diagrama prikazuje slika 4.

8 WinCC

Sistem PCS7 ima vgrajeno tudi samostojno program-sko okolje za nadzor in vodenje industrijskih sistemov(SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition),imenovano WinCC (Windows Control Center) [6].

Znacilnost integriranega sistema PCS7 je, da zzacetnim ustvarjanjem projekta s Simatic Managerjemustvarimo projekt tudi v WinCC in ga pozneje samodokoncno konfiguriramo. V grobem lahko projekte vWinCC razdelimo na dve vrsti:

• Enouporabniski sistemi (Single-User System) in

• Vecuporabniski sistemi (Multi-User System).

Enouporabniski sistem uporabljamo tedaj, koza razvoj in delovanje sistema vodenja zadosca en

racunalnik, vecuporabniski sistem pa za vodenje kom-pleksnejsih procesov.

Sistem PCS7 ima dejansko dve bazi podatkov, ki stamed seboj povezani s posebnim orodjem, imenovanim“Transfer AS/OS Connection Data”. S tem vmesnikomse preslikajo spremenljivke z nivoja vodenja na nadzorninivo (WinCC), tako da se izognemo problemom povezo-vanja dveh sicer razlicnih baz, vendar so s tem pristopomizgubljene nekatere prednosti enotne baze podatkov.

Nadzorni sistem WinCC ima vgrajeno podporo za ko-munikacijski vmesnik OPC in povezavo DDE z zunanjiminapravami.

Programski paket WinCC se lahko nahaja v dveh stan-jih:

• Konfiguracijski sistem (Configuration System aliCS): v tem stanju dolocamo vse lastnosti in videzprojekta.

• Aktivno stanje (Run-Time ali RT): to je stanje, koje projekt ze izdelan in pognan na racunalniku.

V aktivnem stanju se nam odpre operatersko okno,ki ga prikazuje slika 2. V spodnjem delu panela imamovrstico s funkcijskimi gumbi, s katerimi poganjamo ra-zlicne rutine, kot je prikaz SFC-diagramov, alarmov, tren-dov itd. V zgornjem delu panela imamo sporocilnovrstico, pod njo pa gumbe, s pomocjo katerih se spreha-jamo med razlicnimi tehnoloskimi sklopi.

V osrednjem delu je prikazan trenutno izbranitehnoloski proces z vsemi pomembnejsimi procesnimispremenljivkami, stanji procesa in ukaznimi gumbi za vo-denje procesa.

9 Metodologija zgraditve sistema vodenja

Sistem vodenja podprocesa priprave plina smo razvili napodlagi metode zivljenjskega cikla [7], ki je primer sis-temskega pristopa k nacrtovanju in implementaciji siste-mov od njegovega snovanja prek uvajanja, obratovanjapa vse do upokojitve. Posledica vsake faze je izde-lan dokument, ki nam olajsa vpogled v trenutno stanjeizdelka, vkljucno z njegovo verifikacijo in validacijo. Vfazi opredelitev zahtev smo definirali, kaksne so dejanskepotebe in zelje za dani sistem vodenja, in to opisali znaborom pisnih zahtev. V fazi specificiranje smo izde-lali specifikacije v graficni notaciji ProcGraph, kateri jesledilo preverjanje specifikacij nasproti zahtevam. V fazinacrtovanje smo definirali preslikavo specifikacij v pro-gramsko kodo PCS7. Faza izvedba je obsegala povezavosistema vodenja s procesom, konfiguriranje opreme, kodi-ranje in preverjanje ustreznosti kode nasproti specifikaci-jam. Sledila je faza zagon, v okviru katere smo testiralisignale in preverili, ali sistem pravilno deluje. Trenutnoje sistem vodenja v fazi obratovanje, faza upokojitev paza dani sistem vodenja se ni relevantna.

Primer uporabe integriranega orodja za vodenje procesov 31

Slika 2. Operatersko okno na operaterski postaji Figure 2. Operator window on operator station

Pri izdelavi specifikacij se posluzujemo mode-lov, ki opisujejo zgradbo in formalizem (notacijo)opisa izdelkov. Prednosti uporabe modelov so boljsarazumljivost izdelkov, moznost verifikacije in ponovnauporabnost. Z notacijo ProcGraph (Procedure-OrientedGraphical Notation for Process-control Software Specifi-cation) prikazemo obnasanje postopkov in njihovih med-sebojnih odvisnosti [8]. Notacijo sestavljajo naslednji el-ementi:• entitete postopkovnega vodenja (EPV)• stanja (lahko gnezdena)• odvisnosti prehajanja stanj EPV (pogojne in

propagacijske).

EPV so organizirane v vec hierarhicnih nivojev, pricemer je na najvisjem nivoju postopek, na nizjih nivojihso aktivnosti, obnasanje aktivnosti na najnizjem nivoju paopisujejo diagrami prehajanja stanj. Akcije posameznihstanj opisujemo s psevdojezikom. Vrste diagramov, ki seuporabljajo, so:

• diagram odvisnosti med postopki (PDD – Proce-dural Dependencies Diagram)

• diagram prehajanja stanj postopka (PSTD – Pro-cedural State Transition Diagram)

• diagram odvisnosti stanj postopka (PDSTD –Procedural Dependencies State Transition Dia-gram).

Pri specifikacijah izhajamo iz zadanih ciljev vo-denja. Potem ko smo dolocili cilje in naloge sistema vo-denja oziroma posamezne funkcije in potrebno opremo,

moramo s primernim opisom definirati potrebne postopkein njihovo obnasanje.

Samo z opisom v naravnem jeziku pogosto nemoremo enolicno opisati zahtevanega zaporedja dogod-kov, hkrati pa je pisni opis tudi zelo slabo izhodisce zaprogramiranje PLK. Zato je smiselno uvesti neki formal-izem – psevdojezik, ki uposteva dolocene zakonitosti. Napodlagi pisnega opisa bomo specificirali zahteve proces-nega vodenja v psevdokodi. Tako dobljena psevdokodani odvisna od tipa PLK in je podlaga za programiranjekateregakoli PLK.

10 Postopkovno vodenje in preslikava psevdokode v SFC-diagram

Postopkovno vodenje procesa priprave plina opisuje di-agram prehajanja stanj, ki ga prikazuje slika 3. Procesje na zacetku v stanju Stopped. Z operaterjevim ukazomStart preide v stanje Check Conditions, kjer se prever-ijo pogoji za zagon procesa. Ce so izpolnjeni, postopekpreide v stanje Starting, v nasprotnem primeru pa se vrnev stanje Stopped. V stanju Starting se zazene crpalka,nastavi regulatorja nivoja vode in tlaka plina v krmilninacin delovanja in ko tlak doseze predpisano vrednost,preide postopek v stanje Running. V tem stanju regula-torja postavimo v regulacijski nacin delovanja in cakamona operaterjev ukaz Stop, ki nam omogoca prehod v stanjeRegular Stopping. V tem stanju postopoma postavimoopremo v varno stanje, izkljucimo crpalko in postopekvodimo v stanje Stopped. Stanja Starting, Running inRegular Stopping imajo skupne pogoje za prehod v stanje

32 Zorzut, Godena, Jovan

Fast Stopping, v katerem v primeru okvare, nevarnegastanja opreme ali operaterjevega ukaza Abort takoj izk-lopimo crpalko, odpremo ventil za zrak in postavimopreostalo opremo v varno stanje. Zaradi teh lastnostita tri stanja zdruzimo v nadstanje Operation in s tempoudarimo skupne lastnosti stanj in integriramo diagramv smislu zmanjsanja stevila prehodov.

Pri preslikavi psevdokode v programski jezik danegaPLK je zelo pomembno, da je preslikava enolicna in das to preslikavo ne izgubimo nobene od lastnosti speci-fikacije v psevdojeziku. Osnovna jezika za programi-ranje v sistemu PCS7 sta jezika CFC in SFC. S CFC-diagrami izvajamo funkcije postopka, SFC-diagram pafunkcije povezuje v postopek. V SFC-diagramu je vsakostanje predstavljeno z enim ali vec koraki in prehodi mednjimi. Pri preslikavi gnezdenih stanj si pomagamo zuporabo socasnih zaporedij ali pa z uporabo vec SFC-diagramov. Socasno zaporedje sestavlja vec vzporednihvej, ki se zacnejo in koncajo s korakom, na SFC-diagramupa so te veje povezane z dvojno vzporedno crto. Opispreslikave je podrobneje razdelan v referenci [6], vendarga na tem mestu na kratko podajamo za primer postop-kovnega vodenja procesa priprave plina.

Slika 3. Diagram prehajanja stanj postopka priprave plinaFigure 3. STD diagram of the gas preparation procedure

V diagramu prehajanja stanj imamo eno nadstanje Op-eration, ki vsebuje tri zaporedno povezana stanja Start-ing, Running in Regular Stopping in vsebuje le pogojeza prehod v stanje Fast Stopping. Ti pogoji so v SFC-diagramu, ki ga prikazuje slika 4, zdruzeni v pogoju AS,ki sledi socasnemu zaporedju. Izvajanje socasnega za-

Slika 4. SFC diagram postopka priprave plinaFigure 4. SFC diagram of the gas preparation procedure

poredja se konca takrat, ko je v vseh vejah aktiven zad-nji korak in ko so izpolnjeni pogoji za prehod, ki sledisocasnemu zaporedju. Ce sta v SFC-diagramu aktivna ko-raka Operation in Running in ce operater izda ukaz Stop,potem se v desni veji zaporedno izvedejo koraki RegularStopping, Regular Stopping 1, Regular Stopping 2 in ExitStep. Na tej tocki sta v obeh vejah aktivna zadnja ko-raka in ker je izpolnjen pogoj OK3 v povratni zanki, se vnaslednjem ciklu zakljuci izvajanje socasnega zaporedjain aktivira korak Stopped. Nekoliko drugacen je potekizvajanja v primeru izpolnjevanja pogojev za prehod, kijih doloca nadstanje. V tem primeru se mora socasnozaporedje koncati takoj, ko so ti pogoji izpolnjeni. Tolahko dosezemo samo tako, da vsem korakom od Start-ing do Regular Stopping 1 dodamo pogojni skok v korakExit Step, pogoji za skok pa so enaki pogojem nadstanjaOperation (od AS1 do AS6), kar je lepo vidno na SFC-

diagramu. Exit Step nima nobenih akcij, pac pa je tu pris-oten zato, da lahko v taksnem primeru koncamo izvajanjedesne veje socasnega zaporedja in s tem omogocimo pre-hod v korak Fast Stopping. Postopek je vpet v zanko, ki senikoli ne konca, saj je pred korakom End pogoj Never, kini nikoli uresnicljiv. Drugi nacin preslikave je z uporabovec SFC-diagramov. Ideja preslikave je, da v osnovnemSFC-diagramu preslikamo le nadstanje, vsako vsebovanostanje pa realiziramo s svojim SFC-diagramom, ta SFC-diagram pa upravljamo z osnovnim SFC-diagramom.

11 Sklep

V clanku je bil prikazan sistematicen pristop h gra-ditvi sistema za vodenje procesa z uporabo programskegaorodja PCS7. Z opredelitvijo zahtev postavimo jasne ciljegraditve sistema vodenja, ki jih v fazi specificiranja po-drobneje razdelamo in opisemo. Z notacijo ProcGraph,ki se v primeru vodenja procesa priprave plina skrci nadiagram prehajanja stanj in psevdokodo, strokovno inna nedvoumen nacin opisemo potrebna zaporedja dogod-kov, ki jih v nadaljevanju preslikamo v ustrezne CFC-in SFC-diagrame, s katerimi programiramo algoritme vo-denja v orodju PCS7. S programskim paketom WinCCizdelamo se nadzorni nivo vodenja procesa, arhiviranjein prikaz spremenljivk in alarmov, prikaz in spreminjanjeparametrov postopkovnega vodenja itd.

Z uporabo orodja za avtomatizacijo procesov PCS7lahko hitro in na preprost nacin izvedemo sistem za vo-denje procesa, programski paket WinCC pa nam ponujaogromne moznosti za graditev nadzornega nivoja vo-denja. Programiranje s CFC-diagrami je preprosto, navoljo pa imamo tudi knjiznice z ze izdelanimi bloki, kiopravljajo osnovne funkcije (npr. logicne, matematicne,funkcije za vodenje in obdelavo podatkov...). Zazacetnika je spoznavanje ze obstojecih blokov in funkcij,ki jih opravljajo, precej zahtevno, po uvajanju pa pre-prosto. Pri izvedbi nestandardnih funkcij se pokazejopotrebe po graditvi lastnih blokov, za kar uporabljamoprogramski jezik SCL. Tezave se kazejo pri preslikavidiagramov prehajanja stanj z nadstanji v SFC-diagram,saj ta gnezdenja v osnovi ne podpira. Problem gnez-denja stanj resujemo za preproste primere s socasnimi za-poredji, za zapletene pa z uporabo vec SFC-diagramov.Slabost prvega nacina je uporaba redundantnih korakov inskokov in nepreglednost pri vecjih razseznostih postopka,slabost drugega pa je povecana moznost napak pri kli-canju razlicnih SFC-diagramov.

V fazi popravljanja in optimizacije sistema vo-denja se kaze pomanjkljivost uporabe dveh baz po-datkov v sistemu PCS7, saj moramo po vsaki spremembiuporabljenih blokov v CFC-diagramih izvesti prenos po-datkov iz okolja Simatic Manager v okolje WinCC, karje pri obseznejsih projektih precej zamudno, lahko papomeni tudi dodaten vir tezav v primeru pozabljivosti

razvijalca. Orodje za prenos podatkov nam ne omogocaprenosa vseh spremenljivk uporabljenih blokov v CFC-diagramih, kar zahteva od uporabnika, da marsikdajuporablja dodatne bloke samo zaradi prikaza stanja spre-menljivk v nadzornem sistemu vodenja.

Tezave so nastopale pri uporabi obstojece doku-mentacije, ki ni vedno jasna in nedvoumna, se posebejpri uporabi orodja WinCC, saj je to orodje v okolju PCS7nekoliko prirejeno in se razlikuje od samostojnega pro-gramskega paketa WinCC, v PCS7 pa dokumentacije zaWinCC skoraj ni bilo.

Za konec lahko povzamemo, da je za uporabnikapotem, ko spozna orodje in ga zna uporabljati, sistemrazmeroma prijazen in preprost za uporabo, ponuja mubogate moznosti za razvoj aplikacij in preprostost priuporabi izdelanega sistema za vodenje procesa.

12 Literatura

[1] V. Jovan, J. Petrovcic, Process laboratory - a necessary re-source in control engineering education, Comput. chem.eng., vol. 20, no. Suppl., pp. S1335-S1340, 1996.

[2] A. Vizjak, Zasnove procesnega laboratorija zapreizkusanje konvencionalnih in sodobnih metod av-tomatskega vodenja, magistrska naloga, Fakulteta zaelektrotehniko Uuniverze v Ljubljani, Ljubljana, 1994.

[3] SIMATIC PCS7 Process Control System, Catalog STPCS7, 1998.

[4] SIEMENS SIMATIC CFC for S7, Continuous FunctionChart, Manual, C79000-G7076-C750, Release 01, EditionDecember 1998.

[5] SIEMENS SIMATIC SFC, Sequential Function Chart,Manual, C79000-G7076-C735, Edition 02, 1998.

[6] S. Zorzut, Izvedba sistema vodenja podprocesa pripraveplina z uporabo orodja SIEMENS SIMATIC PCS7, diplom-ska naloga, september 2001.

[7] S. Strmcnik, ur., Celostni pristop k racunalniskemu vodenjuprocesov, Ljubljana, FE 1998, str 101-135.

[8] G. Godena, Model Based Software Engineering in the Do-main of Process Control, Institut Jozef Stefan, delovnoporocilo DP-8032/IJS, 1999.

Sebastjan Zorzut je diplomiral leta 2001 na Fakulteti za ele-ktrotehniko v Ljubljani. Istega leta se je kot mladi raziskovaleczaposlil na Odseku za racunalnisko avtomatizacijo in regulacije,IJS, kjer se ukvarja s sistemi za avtomatizacijo proizvodnje invisjimi nivoji vodenja.

Giovanni Godena je studiral avtomatiko na Fakulteti za ele-ktrotehniko Univerze v Ljubljani, kjer je diplomiral leta 1984.Zaposlen je na Odseku za racunalnisko avtomatizacijo in regu-lacije Instituta Jozef Stefan kot vodilni strokovni sodelavec. Po-drocje njegovega dela je metodologija programskega inzenirstvasistemov vodenja in izvajanje zgodnjih faz zivljenjskega ciklaaplikacij sistemov vodenja.

Vladimir Jovan je studiral racunalnistvo in informatiko naFakulteti za elektrotehniko v Ljubljani, kjer je leta 1992 tudidoktoriral s podrocja avtomatike. Zaposlen je na InstitutuJozef Stefan kot visji raziskovalno-razvojni sodelavec Odsekaza racunalnisko avtomatizacijo in regulacije, od leta 2000 je tudidirektor Tehnoloskega centra za avtomatizacijo, robotizacijoin informatizacijo proizvodnje. Strokovna podrocja njegovegadela so racunalniska avtomatizacija industrijskih procesov incelovito racunalnisko podprto vodenje proizvodnje.