TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Vizualizace vybraného technologického procesu Semestrální projekt
Bc. Lukáš Bardon
Vedoucí práce : doc. Ing. Josef Janeček, CSc.
Liberec
2010
Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Obsah: Abstrakt ................................................................................................................................. 3 Úvod ...................................................................................................................................... 3 Slovník zkratek ...................................................................................................................... 4 1.
SCADA/HMI ............................................................................................................. 4
2.
TomPack .................................................................................................................... 5
3.
Funkce TomPacku ..................................................................................................... 5 3.1 UniServer ................................................................................................................... 6 3.2 TPServer .................................................................................................................... 6 3.3 TPView ...................................................................................................................... 7 3.4 TPConfig .................................................................................................................... 8
4.
Vizualizace ohřevu teplé vody, bazénu a přitápění .................................................... 8
5.
TomPack vs. InTouch vs. Promotic ............................................................................ 10
6.
Závěr ........................................................................................................................... 11
Seznam použité literatury ....................................................................................................... 11
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
2
Abstrakt Cílem této práce je seznámit se s návrhem a vypracováním vizualizace vybraného technologického procesu. Pro zvládnutí řešení vizualizace a tudíž vypracování praktické části tohoto semestrálního projektu, je třeba si osvojit vývojové prostředí TomPack patřící do rodiny SCADA/HMI. Dále v tomto dokumentu nebude chybět ani rešerše vývojových softwaru pro vizualizaci technologických procesů.
Úvod Pokud se nyní podíváme na jakékoli řídicí pracoviště, ať už na velíny cukrovarů, pivovarů, lihovarů, distribučních center nebo i na některé domácí počítače, pak na obrazovkách počítačů uvidíme plochu, na které jsou umístěny různé komponenty a propojující cesty. Poskládáním těchto komponent vzniká samotná vizualizace technologického procesu. Operátor má tedy přehled o dějích a o funkčnosti jednotlivých prvků v systému. Pokud je to Operátorovi povoleno, může ovládat různé akční prvky jako např.: motory, čerpadla, PID regulátory, klapky, ventily atd., dále může sledovat hodnoty jednotlivých proměnných, zkoumat jejich průběhy a na základě zjištěných informací postupovat v dalších činnostech řízení. Dnes se s vizualizací a řízením procesů setkáváme téměř všude a v každém odvětví. S vizualizací procesů setkáváme nejen ve velkých továrnách a rafinériích, ale i na menších pásových pracovištích, na ovládacích panelech různých strojů nebo na domácím počítači např. pro ovládání vytápění rodinného domu. Jedná se vlastně o jakési rozhraní mezi procesem a člověkem (operátorem). Vizualizace technologických procesů je zaváděna hlavně z důvodu šetření peněz, lidských zdrojů a k modernizaci, což má za důsledek celkového zlepšení indexu na trhu a popřípadě určitou míru luxusu. Další důvody pro zavedení vizualizace procesu může být i přehled o průbězích daných proměnných jako např.: dlouhodobé zkoumání trendu teploty, tlaku, průtoku, nebo zkoumání průměrné produkce výrobků v pásové výrobě, atd.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
3
Slovník zkratek SCADA HMI PLC I/O TCP DDE
1.
Supervisory Control and Data Acquisition Human-Machine Interface Programmable Logic Controller Input/Output Transmission Control Protocol Dynamic Data Exchange
SCADA/HMI
Zkratku SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), která je občas doplněna o zkratku HMI (Human-Machine Interface) volně překládáme jako vizualizační systém. Vizualizační systém je souborem nástrojů a programů s jejichž pomocí se vytváří program pro koncového zákazníka. Tento samotný program je pak schopen zviditelňovat stav a děje v konkrétním řízeném procesu či objektu. Tento program umožňuje ruční nebo automatické ovládaní akčních členů a realizuje další funkce, jako např. dlouhodobé monitorování a dokumentování různých proměnných. Vizualizační systém lze tedy rozdělit do dvou verzí. Vývojová verze je určena pro dodavatele řízení technologického procesu. Ve vývojové verzi vizualizačního systému programátor vytváří plochu s funkčními bloky procesu, připojuje řídicí a lokální proměnné a popřípadě vytváří potřebné skripty. Produktem vývojové verze je aplikace, která je po odladění přeložena do verze, která je určena pro rutinní provoz. Tuto verzi označujeme jako runtime verzi. Tato runtime verze je pak předána koncovému zákazníkovi a je implementována do provozu. Uživatel tak může vizualizaci pouze obsluhovat a nemůže zasahovat do její struktury. Tento postup je nejobvyklejší protože operátor provozu procesu je zaškolen pouze v problematice řízení provozu. Vývojovou část vizualizace si ponechává dodavatelská firma pro případné změny v procesu jako např. rozšíření výroby, pro přidání dalších měřících členů , atd.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
4
2.
TomPack
Systém TomPack je souborem programů pro vizualizaci technologických procesů typu SCADA. Pracuje na počítačích typu PC pod operačním systémem Windows 2000 a Windows XP. Je určen jak pro malé systémy s jedním obslužným počítačem, tak pro rozsáhlé systémy složených z více obslužných počítačů spojených třeba po síti nebo po internetu. Systémy složené z více počítačů umožňují redundanci jednotlivých částí, z čehož vyplívá, že např. při výpadku jednoho počítače je možné proces řídit pomocí záložního počítače. Architektura Tompacku odpovídá architektuře klient-server. Jednotlivá části Tompacku mohou běžet na různých počítačích, které jsou propojeny v síti. Jelikož je Tompack určen pro návrhy a vytváření vizualizací technologických procesů, tak má podporu pro řadu řídících systémů (Siemens, ABB, Rockwell, Saia, Teco, atd.).
3.
Funkce TomPacku
Samotný systém TomPack je složen ze čtyř programů – TPConfig, TPServer, TPView a UniServer. Jedná se o několikavrstvou architekturu klient-server. Tím je umožněno mnoho různých konfigurací jak pro malé, tak i pro velké projekty.
Obr 3.1. :Architektura Tompacku Na obrázku (Obr 3.1) je znázorněn tok informací přes všechny části Tompacku. Je patrné, že jednotlivé části spolu komunikují pomocí různých protokolů a portů. PLC je programovatelný logický automat. Lze si ho představit jako stavebnici z několika prvků. Základním prvkem je procesor a napájení celého PLC. Jako další stavební prvky se přidávají analogové nebo digitální I/O karty. Tyto karty pak přijímají nebo vysílají řídící signály procesu. Tyto signály jsou předávány nebo jsou načítány (pomocí sériové linky, Ethernetu, nebo ProfiBusu) z počítače, na kterém běží UniServer.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
5
Další části Tompacku a jejich význam v architektuře si rozebereme podrobněji v následujících podkapitolách.
3.1
UniServer
UniServer je jakýmsi převodníkem mezi protokoly řídících systémů a protokolem vizualizací. Směrem k vyšší vrstvě, tedy k TPServeru podporuje UniServer protokol DDE (standardní i rychlý) a protokol TPLink, což je vlastní protokol TomPacku. Protokol DDE spolehlivě pracuje jen v rámci jednoho počítače, zatímco TPLink je schopen spojit UniServer a TPServer, které běží na různých počítačích. UniServer je možné použít i pro jiné vizualizace, které podporují komunikační protokol DDE. TPLink standardně používá TPC port 1210 (UniServer "poslouchá" na tomto portu), ale lze nastavit i jiný port. Výběr mezi DDE a TPLink protokolem je plně na nadřízené aplikaci (tedy např. na TPServeru), UniServer je stále připraven obsloužit klienty oběma způsoby, a to i současně a i více klientů.
3.2
TPServer
TPServer je jádrem systému TomPack. Po startu si TPServer načte z lokální kopie projektu (soubor ~~TPS~~.tp) konfigurační informace. TPServer má dva hlavní režimy činnosti - STOP a START. Po spuštění se automaticky nastartuje a zminimalizuje se do ikony. Po dvojkliku na ikonu se zobrazí hlavní okno TPServeru. V něm jsou zobrazeny řádky, které informují o stavu jednotlivých clusterů, které patří do tohoto TPServeru. Je zobrazeno jméno clusteru a případně IP adresy redundantního partnera, a to pro hlavní komunikační linku a pro synchronizační linku. Dále je zobrazen stav clusteru a partnera, který má tyto hodnoty: STOP
Cluster (a i TPServer) je zastaven
DELAY
Prodleva po staru
MASTER
Cluster je aktivní
SLAVE
Cluster je záložní
TIMEOUT
Partner je v neznámém stavu Tab 3.1. :Stavy Clusteru a partnera
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
6
Obr 3.2. :Funkce TPServeru
3.3
TPView
TPview je jedinou částí systému, která komunikuje s uživatelem při běhu aplikace. TPView je spojen pouze s TPServerem (příp. s více TPServery) a s ním si předává informace. TPView zobrazuje nakonfigurované obrazovky a umožňuje je ovládat. Může běžet na stejném či na jiném počítači, než je TPServer. Žádná data neukládá, takže nemusí běžet nepřetržitě. V normálním režimu je ovládací lišta programu skryta a TPView je navíc roztažen přes celou obrazovku. Při použití funkce LockKeyboard jsou navíc zablokovány všechny klávesy, pomocí kterých je možný přístup do operačního systému (kromě klávesových zkratek zástupců programů). Zobrazení lišty je možné klávesovou kombinací ALT X, ale pouze tehdy, je-li přihlášen uživatel s úrovní 999. Není-li, program se zeptá na jméno a heslo a po úspěšném přihlášení se lišta ukáže.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
7
3.4
TPConfig
TPConfig je program, kterým se vytváří projekt. Celý projekt je uložen v jednom souboru s příponou tpp. TPConfig příkazem Run pošle projekt do všech programů TPServer a TPView, které si uloží jeho kopii pod jménem ~~TPS~~.tp a ~~TPV~~.tp a dále pracují s kopií projektu. Při posílání projektu je nutno určit jména počítačů, na které projekt poslat (tj, počítače, na kterých běží příslušný TPServer a TPView). Při nevyplnění políčka se jménem, se pošle projekt do lokálního počítače. Kopie projektu jsou plnohodnotné a přesné kopie (mají i stejný čas), lze je tedy v případě nouze zkopírovat a pracovat s nimi jako s originálním projektem. TPConfig je tedy základním frameworkem pro programátora vizualizací. Programátor má k dispozici základní objekty a knihovny s s předdefinovanými moduly. Mezi základní objekty patří: úsečka, obdélník, elipsa, polyline, hladká křivka, polygon, hladký polygon, text, bitmapa, tlačítko, zadávací pole, alarmový seznam a view skript. Předdefinované moduly jako jsou různé ukazatelé hodnot, akční členy, nádoby a tanky, atd., je možné kopírovat z různých knihoven a použít je ve vlastním projektu. Každému objektu v projektu můžeme pomocí funkce Connection připojit danou proměnnou a popřípadě nastavit další vlastnosti objektu.
4.
Vizualizace ohřevu teplé vody, bazénu a přitápění
Jako praktickou část této práce jsem navrhl a sestrojil vizualizaci procesu ohřevu teplé vody, bazénu a přitápění za pomoci solárního systému. Celý systém se skládá z několika základních částí. Jedná se o kotel poháněný zvoleným zdrojem energie (elektřina, plyn, uhlí), dále ze solárního systému (solární kolektor, čerpadlová soustava), z otopné soustavy a v neposlední řadě tepelná soustava bazénu (samotný bazén, výměník bazénové vody). O čerpání teplé vody z kotle do akumulačního zásobníku se stará Čerpadlo 3. Toto čerpadlo spíná pokud teplota na čidle ve spodní části zásobní klesne pod povelenou mez a zároveň teplota média v solární soustavě není postačující pro ohřev vody v zásobníku. V opačném případě se stará o ohřev teplé vody v zásobníku solární soustava se spuštěným čerpadlem č. 4. Pokud teplota média v solárním kolektoru stoupne nad povolenou mez, pak je čerpadlo č.4 spuštěno automaticky. Teplotu na kolektoru můžeme sledovat i v grafu (trendu). Pro zobrazení trendu stačí kliknout na měřící člen umístěný u kolektoru. Teplota pitné vody se pak reguluje ventilem T2. Proudění vody v otopné soustavě zajišťuje čerpadlo č. 1. Zadáním požadované teploty se teplota vyreguluje pomocí ventilu T1. Ohřev bazénu probíhá pouze pomocí solární soustavy. Pokud nastavíme požadovanou teplotu vody v bazénu a spustíme čerpadlo, pak se otevřou ventil1 a ventil 2 , ventil T3 uzavře prostřední kohout a otevře spodní. Tím nám vznikne druhý okruh a solární soustava začne ohřívat bazénový výměník.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
8
Celá vizualizace je přehledná a uživatelsky příjemná. Veškeré moduly jsou propojeny s procesními proměnnými a tudíž je připravena k dalším programátorským úkonům. Jednalo by se o propojení proměnných s PLC za pomoci UniServeru.
4.1 Obr 4.1. :Vizualizace ohřevu teplé vody, bazénu a přitápění
Obr 4.2. :Trend teploty média v kolektoru
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
9
5.
TomPack vs. InTouch vs. Promotic
Při hledání programů z rodiny SCADA/HMI jsem narazil na tři silné zástupce vizualizačních systémů. Jedná se o TomPack, InTouch a Promotic. Při pročítání různých materiálů sem nenašel nějaké významnější rozdíly mezi jednotlivými systémy. Každý ze systémů disponuje následnými důležitými vlastnostmi: • • • • • • • •
Editor obrazů Grafické objekty Systém trendů a alarmů Podpora web technologií SQL rozhraní pro databáze Komunikační ovladače Správa uživatelů Atd.
Jediný podstatný rozdíl mezi systémy je v podoře operačních systémů a v jazycích pro skriptování. Zmíněné odchylky jsou názorně shrnuty v následující tabulce. TomPack InTouch
Promotic
Windows 2000/XP Vlastní syntaxe podobná C Windows 2000/2003/XP/Vista Business/Premium/Ultimate Jazyk Excel Windows7/vista/XP/2000/2003-8 Server Microsoft Basic Tab 5.1. :Tabulka rozdílů jednotlivých systémů
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
10
6.
Závěr
Při vypracování tohoto semestrálního projektu jsem si osvojil znalosti ve vytváření vizualizace technologického procesu. Silným nástrojem a pomocníkem při vytváření vizualizace mi byl vizualizační systém TomPack z rodiny SCADA/HMI. Práce s tímto systémem je velice intuitivní. Rozložení ovládacích panelů je přehledné a za pomoci grafické knihovny se snadno implementují jednotlivé moduly. V teoretické části této práce je poměrně detailně popsáno jak vlastně celý systém TomPack pracuje. Bylo objasněno z jakých se skládá částí a jakou funkci jednotlivé části systému plní. Dále byla provedena rešerše srovnání jednotlivých vizualizačních systémů, jmenovitě TomPack, InTouch a Promotic. Bylo zjištěno, že jednotlivé systémy se liší povětšinou pouze v podpoře operačních systémů a ve skriptovacích jazycích. Jako praktická část této byla vytvořena vizualizace ohřevu teplé vody, bazénu a přitápění. Na obrazovce jsou umístěny veškeré potřebné akční i měřící členy a k těmto členům jsou připojeny procesní proměnné pro další vývoj celého řízení daného procesu.
Seznam použité literatury [1] InTocuch (SCADA/HMI) Vizualizace, sběr dat a supervizí řízení technologických procesů. [online] . [2009-05-14]. URL: http://www.pantek.cz/produkty/intouch/ [2] Co je PROMOTIC. [online] . URL: http://www.promotic.eu/cz/pmdoc/WhatIsPromotic/WhatIsPromotic.htm [3] ProjectSoft. TomPack Uživatelská příručka pro verzi 2.8. Projectsoft, a.s., [2006-04]
Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření.
L. Bardon : Vizualizace vybraného technologického procesu
11