Контрольные вопросы
1 Перечислите известные вам интерфейсы, используемые в ИИС.
2 Расскажите о назначении, характеристиках и структурах интерфейсов в ИИС.
3 В чем разница в синхронном и асинхронном обменах информацией?
4 Каковы особенности приборного интерфейса?
5Расскажите об интерфейсах периферийной части ЭВМ.
6 Каковы функции, выполняемые ЭВМ в ИИС?
Лекция 26 Тема: Измерительные информационные системы.
Цель: Формирование у студента компетенции ПК-10.
Вопросы для изучения.
1. Примеры телеизмерительных систем и систем автоматического контроля в энергетике.
1. Примеры телеизмерительных систем и систем автоматического контроля в энергетике.
Системы телемеханики в энергетике. Общая классификация.
Системы телемеханики получили значительное применение в производственных отраслях, где остро стоит вопрос организации централизованного управления территориально удалёнными системами. Это энергетическая отрасль, железнодорожный транспорт, крупные промышленные предприятия и т.д.
Особо важную роль играют модули телеуправления, модули телесигнализации и так называемые контроллеры присоединения именно в энергетической отрасли, которую можно смело назвать уникальной по сравнению со всеми другими производственными отраслями. Ведь нигде, ни в одном другом производстве нет настолько чёткой и согласованной деятельности между поставщиками и потребителями готовой продукции.
Главной особенностью систем телемеханики является наличие устройств, обеспечивающих передачу информации на большие расстояния. При этом необходимо, чтобы модули телеуправления получали как можно менее искажённую информацию. В условиях значительной территориальной разобщённости элементов энергосистем и наличия значительного количества помех это создаёт наибольшую проблему для работы системы телемеханики.
Рассмотрим классификацию систем телемеханики применяемых в энергетике. По заложенным в системы телемеханики функциям и типу передаваемых данных, применяемые в энергетической отрасли, классифицируются на:
– модули телеуправления, управляющие отдельными единицами оборудования или целыми комплексами;
– модули телесигнализации, на которые возложена функция дистанционного контроля состояния и положения объектов;
– системы телеизмерения, проверяющие показатели различных величин;
– модули передачи данных, предназначенные для передачи на расстояние информации об управляемых объектах в цифровой или другой форме.
В общем, все системы телемеханики представляют собой системы передачи данных. В них содержится совокупность технических средств (модули телесигнализации, управления, модули телеизмерения, модули дискретной сигнализации и т.д.), которые должны обеспечить передачу информации от источника к рабочему органу и выполнение всех возложенных на неё функций.
Основными критериями при выборе системы телемеханики являются обеспечение максимальной функциональности, высокая надёжность в эксплуатации как самой системы, так и программного обеспечения, а также поддержка основных протоколов обмена данных. Важным показателем, которым должны обладать автоматика и телемеханика, является доступность совокупной стоимости владения, куда входит стоимость самой системы и её эксплуатации.
Внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.
Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия «телемеханика» всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях – АСУТП.
В англоязычных источниках аналогом понятия «телемеханика» является сокращение SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.
Пример построения телемеханической системы.
Рассмотрим основные понятия, используемые в телемеханических системах, на примере так называемой двухуровневой системы, ставшей классической схемой (рисунок 26.1).
Рисунок 26.1 – Пример телемеханической системы
Контроль и управление системой осуществляют с Пункта Управления (ПУ), где находится диспетчер, аппаратура телемеханики, ЭВМ, мнемонический щит.
Объекты контроля и управления находятся на Контролируемых Пунктах (КП), одном или нескольких.
Взаимодействие между ПУ и КП происходит по каналу связи. Это может быть простая физическая линия, оптоволокно, выделенный телефонный канал, радиоканал и т.п. При подключении к одному каналу связи нескольких КП каждый из них должен иметь уникальный номер.
Часто под ПУ и КП подразумевают саму аппаратуру телемеханики.
Данные между ПУ и КП передают короткими массивами, которые называют кадрами, фреймами, посылками. Посылки вместе с данными содержат адресную часть и проверочный код для выявления искажений в процессе передачи. Адрес должен однозначно идентифицировать измеряемый параметр в рамках всей системы, например, номер контроллера ПУ – номер КП – номер группы в КП – номер параметра в группе. Для защиты данных обычно используют один из вариантов подсчета контрольной суммы.
Способ кодирования данных и порядок обмена посылками обычно называют протоколом обмена. Одним из основных требований при выборе протокола является его надежность, т.е. способность передавать данные без искажений и возможность повторной передачи в случае сбоя.
Аппаратура телемеханики (обычно называемая контроллером) на КП собирает информацию об объекте посредством датчиков и преобразователей.
Датчиками могут быть простые двухпозиционные переключатели, состояние которых изменяется при изменении состояния объекта (включен/выключен, норма/авария и т.п.). Обычно контроллер КП следит за состоянием датчиков и при изменении хотя бы одного из них передает на ПУ посылку, которую называют ТелеСигналом (ТС). Контроллер ПУ, получив ТС, передает его на ЭВМ и контроллер щита. Программа на ЭВМ изменяет состояние изображения контролируемого объекта на схеме и предупреждает диспетчера звуковым сигналом. Контроллер щита зажигает на щите соответствующий индикатор.
Для количественной оценки состояния объекта на КП применяют преобразователи, которые преобразуют физические параметры (температура, давление, напряжение, ток) в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сигналов и передает их на ПУ в цифровом виде в посылках ТелеИзмерений (ТИ). Аналогично ТС, ТИ поступают на ЭВМ и щит для отображения. Программа для ЭВМ может отслеживать уровни приходящих измерений и сигнализировать, например, о превышении критического порога (уставки).
При необходимости вмешательства в ход контролируемого процесса оператор посредством ЭВМ выдает в систему команду Телеуправления (ТУ). C ЭВМ команда поступает на контроллер ПУ, который передает его нужному КП. Контроллер КП при получении команды проверяет ее достоверность, выдает электрический сигнал для включения исполнительного механизма (например, запуск электродвигателя), передает на ПУ квитанцию о выполнении команды. Команды ТУ обычно двухпозиционные: ТУ Включить и ТУ Отключить.
Современные контроллеры КП могут получать информацию не только с датчиков и преобразователей, но и с различных микропроцессорных устройств, например, приборов учета, токовых защит. Для стыковки с такими устройствами применяют один из локальных интерфейсов, например, RS-485.
Тенденции развития. В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими системами и программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с «живым» отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемосхем.
В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ, возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования и др.). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.
С технической стороны в системах всё чаще используются современные скоростные каналы связи. Вместе с тем сохраняется потребность стыковки с морально (а иногда и физически) устаревшими «унаследованными» системами, с сохранением их протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами.
Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается изменение требований к реализуемым функциям. К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за изменением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа.
Телеизмерительных систем и систем автоматического контроля в энергетике используются в автоматизированных системах диспетчерского управления (АСДУ).
Автоматизированные системы диспетчерского управления.
Управление процессом производства, передачи и распределения электрической энергии реализуется автоматизированными системами диспетчерского управления.
Управление осуществляется путем воздействия как на автоматизированные системы управления технологическими процессами электрических станций, подстанций и сетей, так и на централизованные системы автоматического управления или на локальные системы и устройства автоматики.
Комплекс технических средств АСДУ. Технические средства АСДУ, разделяются на два комплекса:
– вычислительный комплекс (ВК), обеспечивающий решение задач долгосрочного планирования режимов и других задач неоперативного характера, реализуемый на базе мощных универсальных ЭВМ;
– оперативный информационно-управляющий комплекс (ОИУК), предназначенный для решения задач краткосрочного планирования, оперативного и автоматического управления режимами энергосистемы.
В 70-х и 80-х годах были созданы и успешно эксплуатируются на разных уровнях иерархии управления ЕЭС, ОЭС и ЭС централизованные ОИУК, построенные на базе универсальных и мини-ЭВМ.
В 90-х годах наметился перевод АСДУ на новую платформу, что определяется необходимостью замены технически и морально устаревшей вычислительной техники на диспетчерских пунктах всех уровней управления.
Структура сетевого ОИУК представлена на рисунке 26.2
Рисунок 26.2 – Структура сетевого ОИУК: 1 – ЦППС; 2 – ПК-бриджи (В); 3 – файл-серверы (FS); 4 – коммуникационный сервер (КК); 5 – почтовый сервер (Em); 6 – персональные компьютеры (ПК); 7 – диспетчерский щит (ДЩ); 8 – принтер; 9 – сервер речевой почты (Vm); 10 – сервер регистрации диспетчерских переговоров
Ввод телеинформации осуществляется в дублированные центральные приемно-передающие станции (ЦППС). Микропроцессорные ЦППС обеспечивают обмен телеинформацией с устройствами телемеханики и другими ЦППС, управление диспетчерским щитом (ДЩ), обмен информацией с одной из двух ПК-бридж (В), предназначенных для обработки телеинформации в режиме «ON LINE» и выполнения других циклических задач, для формирования на файл-серверах (FS) базы данных реального времени.
Модуль ЦППС-В может выполняться в двух модификациях.
Первый – с использованием автономных ЦППС (РПТ-80, КОТМИ, ПУ, телекомплексов ГРАНИТ, КОМПАС, МПТК или других устройств), к канальным адаптерам которых подключаются каналы телемеханики, а ЦППС, в свою очередь, подключаются по последовательным портам к ПК, обрабатывающим телеинформацию.
Второй вариант – с канальными адаптерами, устанавливаемыми непосредственно в ПК.
Все ПК, входящие в состав ОИУК, объединяются локальной сетью Ethernet (LAN) и подразделяются на две группы: системную, включающую серверы различного назначения (обычно размещаемые в зале ЭВМ); группу «пользовательскую», содержащую автоматизированные рабочие места (АРМ) диспетчеров, инженеров-технологов и др.
В процессе развития количество серверов должно увеличиваться. Целесообразно создать несколько пар FS для распределения баз данных по функциональному назначению: оперативно-диспетчерская, производственно-статистическая, коммерческая информация и т.п. Для обмена нерегламентированными данными может быть установлен почтовый сервер (Еm) в рамках электронной почты «Электра». В системную группу могут быть включены серверы регистрации диспетчерских переговоров, например ЭХО, заменяющие устаревшие электромеханические диспетчерские магнитофоны; сервер речевой почты (Vm) для обмена речевыми сообщениями; серверы для выполнения циклических расчетов, архивный сервер.
Развитие и модернизация локальных вычислительных сетей АСДУ должны проводиться с учетом возможности дальнейшего роста и развития при приемлемых размерах капиталовложений, а также иметь возможность постепенного внедрения приобретаемого оборудования без длительных перерывов в работе сети. Важным моментом является внедрение в локальной сети службы единого времени.
Служба единого времени в локальной сети. Необходимо стремиться иметь в сети эталонный источник времени, который синхронизировался бы по нескольким внешним источникам времени (например, сигналы точного времени радиотрансляционной сети, спутниковая система GPS, ручное задание времени оператором).
Программные средства ОИУК. Основными компонентами программных средств сетевого ОИУК являются операционная система, сетевая среда и SCADA (комплекс программ для решения основного объема информационных задач ОИУК).
Наибольшее распространение получили комплексы SCADA, разработанные специалистами ОДУ Урала и ТОО «Интерфейс» (Екатеринбург), ВНИИЭ (Москва), Комиэнерго (Ухта), СИСТЭЛ, КОНУС (Москва) и др.
Для сравнительно небольших диспетчерских пунктов представленная структура ОИУК может быть сохранена на достаточно большой срок. При этом дальнейшее развитие может осуществляться за счет постепенного увеличения количества ПК и замены устаревающих моделей более новыми и мощными, а также за счет модернизации системного и прикладного программного обеспечения.
В дальнейшем, в основном для крупных диспетчерских пунктов, планируется включение в сеть, кроме ПК, группы мощных рабочих станций (рисунок 26.3).
Рисунок 26.3 – Структура ОИУК для крупных диспетчерских пунктов: 1 – UNIX-серверы SCADA; 2 – UNIX-рабочие станции диспетчерских терминалов; 3 – UNIX-серверы приложений; 4 – маршрутизатор; 5 – ПК (серверы, АРМ и т.д.)
В первую очередь такая структура ОИУК предусматривается для наиболее крупных энергосистем, она в общем случае позволит: заменить устаревшие (или недостаточно мощные) ЦППС и старые мини-ЭВМ; существенно увеличить объем и скорость обработки информации; обеспечить полный графический диалог диспетчеру; воспользоваться мощными стандартными графическими пакетами, современными базами данных, экспертными системами.
Одной из первоочередных задач является замена устаревших (или недостаточно мощных) ЦППС. Для этой цели к локальной сети ПК подключаются два взаиморезервируемых сервера SCADA: UNIX- компьютеры, оснащенные программируемыми канальными адаптерами, к которым через коммутатор-арбитр подключаются каналы телемеханики и контроллеры, управляющие диспетчерским щитом. Кроме того, эти компьютеры оснащаются мультиплексорами для подключения коммутируемых или некоммутируемых каналов связи. Серверы SCADA обеспечивают: прием (передачу) телеинформации в любых протоколах; прием (передачу) данных суточной диспетчерской ведомости; обработку поступающей информации, формирование базы данных реального времени, архивирование; управление ДЩ (цифровые приборы, символы мнемосхемы, информационные табло); циклическое копирование БДРВ на файл-серверы локальной сети; выполнение коммуникационных функций. Таким образом, эти компьютеры выполняют все функции SCADA, за исключением организации диалога, который осуществляется на ПК локальной сети. Для повышения надежности информационного обслуживания диспетчеров ПК, установленные на их рабочих местах и подключенные к локальной сети, имеют радиальную связь с UNIX-компьютерами. Такое решение позволяет сохранить диалоговые функции для диспетчерской смены даже при отказе локальной сети.
Выбор типа UNIX-компьютеров определяется, в первую очередь, наличием в составе компьютера программируемых канальных адаптеров. Программное обеспечение SCADA для этого варианта разработано силами специалистов ВНИИЭ и «Энергософта» совместно с ИДУ и ОДУ Урала. Такие комплексы внедрены и успешно эксплуатируются в ЦДУ, ОДУ Центра, Северо-Запада, Северного Кавказа и на ДП концерна «Росатом».
Третьей функциональной группой UNIX-компьютеров локальной сети ОИУК являются серверы приложений, предназначенные для решения задач моделирования и оптимизации режима на основе телеинформации и требующие больших вычислительных ресурсов, а также для использования мощных стандартных пакетов, например географических информационных систем, оболочек систем искусственного интеллекта и т.п. Программное обеспечение для этих задач (EMS on line) переводится па UNIX-компьютеры. Кроме серверов приложений мощный UNIX-компьютер целесообразно использовать для управления универсальной базой данных.
В структуру рассмотренной платформы органически интегрируются и подсистемы автоматического управления нормальными (централизованная система автоматического регулирования частоты и активной мощности – ЦАРЧМ) и аварийными (централизованная противоаварийная автоматика – ЦПА) режимами. При этом предусматриваются отдельные или общие взаимодублирующие серверы приложений на базе UNIX-компьютеров или ПК.