Technologie

Rozwój systemu MASTER w zakresie istniejących zasobów i nowych strategii

By redakcja

Posted on 23 czerwca 2017

System MASTER jest w pełni polskim systemem automatyki, rozwijanym od prawie 40 lat przez wiele pokoleń inżynierów technologów, informatyków i matematyków.

Wiedza o systemie „od środka” przekazywana jest kolejnym pokoleniem, które wnoszą nowa jakość, na miarę ich wiedzy w zakresie aktualnych technologii obiektowych, technik przesyłania danych, praktyk programistycznych, sprzętu komputerowego i sieciowego etc.

Poniżej zostały przedstawione nowości rozwoju systemu automatyki MASTER:

w zakresie funkcjonalności istniejących zasobów dotyczących interfejsu użytkownika, modułu MasterMemBox, bezpieczeństwa obsługi obiektów przemysłowych oraz integracji z systemami innych producentów,
w obszarze nowych strategii tj. stacji operatorskich MASTER-Windows, systemu DCS MASTER oraz zastosowania sieci internetowych w systemie MASTER.

1. Ogólna struktura organizacyjna systemu MASTER

System Automatyki MASTER (Rys. 1) posiada strukturę warstwową i składa się z:

poziomu procesowego, w skład którego wchodzą stacje procesowe (ogniwa MASTER) oraz stacje komunikacyjno – przetwarzające (bramki MGate),
poziomu operatorskiego z równorzędnymi stacjami operatorskimi w dowolnej ilości, z tym samym lub innym oprogramowaniem aplikacyjnym,
poziomu nadrzędnego, w tym witryn internetowych, stacji sprzęgających oraz linków do obcych systemów,
podsystemu inżynierskiego, obejmującego m.in. edytory poziomów procesowego/operatorskiego oraz różnorodne narzędzia dla diagnostyki i serwisu,
podsystemu komunikacyjnego, w skład którego wchodzą sieci procesowe, technologiczne, graficzne, diagnostyczno-serwisowe, linki do innych systemów, szyfrowane połączenia internetowe stosowane w działaniach regulacyjno-sterowniczych (z/bez technologii VPN) oraz łączy VPN w zdalnych pracach diagnostyczno-serwisowych, etc.

Sieci komputerowe integrują fizycznie i funkcjonalnie wszystkie elementy systemu w pionie i poziomie w zakresie komponentów systemu MASTER jak również zewnętrznych systemów, bez względu na fakt na jakich platformach operacyjnych zrealizowane zostały poszczególne komponenty. Zazwyczaj są to sieci redundantne z protokołami warstwy transportowej TCP, UDP o wydajności transmisyjnej w zakresie: 10Mb-1Gb.

Rys. 1. Przykładowa struktura systemów AKPiA MASTER

2. Rozwój systemu automatyki MASTER w zakresie istniejących zasobów

2.1. Rozwój interfejsu użytkownika systemu MASTER

Funkcjonalność interfejsu użytkownika podlega ciągłej modyfikacji w trakcie eksploatacji systemu automatyki MASTER. Wynika ona z doświadczeń wdrożeniowych naszego systemu i ścisłej współpracy z użytkownikami systemu, którzy dysponują doświadczeniem i przyzwyczajeniem do interfejsu systemów innych producentów.
Jedne z ostatnich modyfikacji dotyczą:

możliwości obsługi w jednej aplikacji stacyjek regulacyjno-sterowniczych z wykorzystaniem myszy i klawiatury lub myszy i suwaka,
sieciowego dostępu do archiwów pomiarów,
możliwości zmian przez operatorów granic ostrzegania/alarmowania.

Edytowalne stacyjki regulacyjne i sterownicze

Na rysunkach (Rys. 2 i 3) przedstawiono przykładowe stacyjki w obu wariantach.

Rys. 2. Stacyjka obsługiwana przez klawiaturę i mysz.

Rys. 3. Stacyjka obsługiwana przez suwaki i mysz

Sieciowy dostęp do archiwów pomiarów
Jest to możliwość pobierania i prezentowania na wykresach dowolnej stacji operatorskiej pomiarów z innej stacji operatorskiej w trybie on-line. Ma to znaczenie w przypadku przerw w pracy stacji operatorskiej i braku ciągłości archiwów pomiarów. Funkcjonalność przydatna jest również w przypadku stacji inżynierskich i multioperatorskich.

Zmiany on-line granic ostrzegania i alarmowania sygnałów pomiarowych dla inżynierów i operatorów

Do tej pory możliwość zmian granic dostępna była tylko dla inżyniera systemu. Po modyfikacji interfejsu, zmian może dokonywać również operator, jeśli zostanie skonfigurowana w systemie taka opcja dla operatora. Zmiany wykonane na jednej stacji przenoszone są automatycznie na inne równorzędne stacje w grupie.
Funkcjonalność może być wykorzystywana m.in. do drobnej korekty granic ostrzegania i alarmowania w okresie letnim, żeby ustrzec się przed lawiną alarmów / zdarzeń generowanych nadmiarowo w sytuacji pogorszenia się warunków pracy urządzeń przez letnie upały. (Rys. 4)

Rys. 4. Przykładowe okno zdarzeń z możliwością filtracji zdarzeń zwykłych i alarmów

2.2. Nowy moduł MasterMemBox

MasterMemBox (w skrócie mmbox) to nowa usługa systemu MASTER służąca do przechowywania wartości ważnych sygnałów wyliczanych w systemie (np. różnego rodzaju liczniki oraz czasy pracy urządzeń). (Rys. 5)
Usługa mmbox stanowi bezpieczne repozytorium istotnych danych, zrealizowane w oparciu o redundantne układy stacji komunikacyjno-przetwarzających (SKP), potocznie nazywanych bramkami MGate.
Stabilną i bezpieczną pracę w zakresie przechowywania danych uzyskuje się poprzez ciągłą wymianę danych między głównymi usługami bramek tj. oprogramowaniem MGate oraz usługami mmbox. Ponadto pomiary przechowywane w repozytorium są cyklicznie zapisywane w plikach archiwalnych. Jest to ważne dla odtworzenia liczników w przypadku jednoczesnego zaniku zasilania w obu bramkach.
Przygotowanie projektu przetwarzania wtórnego bramek dla danych przechowywanych w repozytorium mmbox przygotowuje się za pomocą edytora ReginEd.

Rys. 5. Przykładowe okno z możliwością zmiany granic ostrzegania i alarmowania

2.3. Bezpieczeństwo obsługi obiektów przemysłowych

W Instytucie przykłada się ogromną wagę do bezpieczeństwa prowadzenia procesów technologicznych. Wyraża się ona w kilku aspektach tj.:

opracowywaniu układów zabezpieczających urządzenia, które w newralgicznych sytuacjach wyłączają poszczególne urządzenia lub cały blok bez ingerencji operatora,
zastępowaniu operatorów w uciążliwych, powtarzalnych operacjach, przez automatyczne wykonywanie tych sekwencji w sterownikach SMC4.
realizacji specjalizowanych systemów automatyki do pracy samodzielnej lub w kompleksie systemów automatyki IASE i innych producentów.
opracowywaniu dla obiektów procedur i masek rozruchowych.

Układy zabezpieczeń
Preferowane w IASE zabezpieczenia, realizowane są w logice „2z3” i składają się z 3 ogniw zabezpieczeń (Z1, Z2, Z3), na wejścia których podawane są sygnały w ilości 1-3 z torów pomiarowych. Na wyjściu ogniw zabezpieczeń generowane są sygnały, podawane na elektroniczne wybieraki „2z3”, sterujące przekaźnikami wyłączenia (wybicia) zabezpieczanych urządzeń. Na synoptyce zawierającej listę wszystkich zabezpieczeń, zaznaczone jest zadziałanie tego zabezpieczenia, które spowodowało wybicie urządzenia. (rys. 6)

Rys. 6. Implementacja usługi MasterMemBox w systemie MASTER

Automatycznie wykonywane sekwencje w sterownikach SMC4
Dotychczas zaimplementowano następujące sekwencje:

przełączania nitek węglowych,
przełączania pomp wody zasilającej,
przełączenia i autowybierania do pracy pomp kondensatu,
sterowania odwodnieniami kotłowymi i turbinowymi,
uruchomienia układu spaliny-powietrze,
wykonania próby wodnej,
odazotowania spalin, w tym sekwencje rozładunku mocznika,
zał/wył wentylatora Rrofa, wtrysku mocznika do kotła, etc.

Specjalizowane systemy automatyki MASTER
W Instytucie opracowano i wykonano szereg specjalizowanych systemów w oparciu o moduły systemu MASTER do pracy samodzielnej lub w kompleksowych instalacjach systemów automatyki IASE i innych producentów. Systemy stosowane są w elektrowniach, elektrociepłowniach i innych zakładach przemysłowych.
Są to:

elektrohydrauliczny regulator turbiny – UNIMAT,
kompleksowy układ zabezpieczeń bloku – KUZB,
system pomiarów specjalnych – UNIKONT,
układy automatycznej regulacji cieplnych bloków energetycznych – UAR , w tym:
– wykrywanie braków węgla i ochrona młynów przed zakopaniem,
– redukcja NOx,
– sterowanie palnikami rozpałkowymi mazutu i oleju lekkiego, etc.

Systemy podlegają ciągłym modernizacjom w zakresie myśli technicznej, stosowanego sprzętu, oprogramowania operacyjnego oraz oprogramowania narzędziowego wytwarzanego w Instytucie.
W przypadku układów KUZB i palników rozpałkowych wyzerowanie wszystkich wyjść przekaźników powoduje:

zanik zasilania szafy systemowej,
zatrzymanie programów sterowników zabezpieczających.

Rys. 7. Synoptyka z trzema układami zabezpieczeń systemu MASTER dla turbiny z zaznaczoną przyczyną pierwszego wybicia turbiny

2.4. Rozwój systemu w zakresie integracji z systemami innych producentów

Na obiektach przemysłowych trudno znaleźć jednolitą instalację systemu automatyki, wykonaną i rozwijaną przez jednego producenta. W praktyce obiektowej występuje konieczność integracji wynikająca z potrzeby przepływu niezbędnych informacji on-line między różnymi systemami oraz dostarczania użytkownikowi kompleksowego obrazu stanu pracy obiektu.
Aktualna jest również potrzeba implementacji coraz to nowych protokołów standardowych i firmowych w celu integracji systemu automatyki MASTER z systemami innych producentów.
W naszych rozwiązaniach integracja systemu MASTER z systemami i sterownikami innych producentów odbywa się:

bezpośrednio w sterownikach SMC4,
w bramkach MGate.

Integracja systemów na poziomie sterowników SMC4
Do integracji systemów wykorzystywane są porty RS485 z protokołami Modbus/RTU oraz porty ethernetowe RJ45 i protokoły OPEN Modbus (przykład na rysunku 8).

Procedury i maski rozruchowe
Są mechanizmy wspomagania operatora przy rozruchu bloku z automatycznie przewijaną listą czynności w czasie oraz wizualizacją na wykresie aktualnych parametrów pary tj. ciśnienia i temperatury, mierzonych na wylocie z kotła do turbiny, w odniesieniu do modelowego ich przebiegu. (Przykład na rysunku poniżej.)

Rys. 8. Stacja procesoiwa MASTER z linkami do systemów zewnętrznych

Integracja systemów z wykorzystaniem bramek MGate
Bramki obsługują według jednolitego sposobu:

stacje procesowe (ogniwa fizyczne) systemu MASTER
ogniwa wirtualne, odwzorowujące w systemie MASTER obce sterowniki lub systemy.

Na rysunku przedstawiono przykład integracji systemu MASTER i zewnętrznego systemu zrealizowanego na sterownikach SIMENS S7-400. Ogniwa wirtualne, skonfigurowane w bramkach systemu MASTER, zasilane są danymi przez zewnętrzny system automatyki, komunikujący się z bramkami poprzez protokół Profinet. (Rys. 9)

Rys. 9. Implementacja linków w systemie MASTER z wykorzystaniem protokołu Profinet

2.5. Rozwój systemu w obszarze narzędzi edycyjnych i serwisowo-diagnostycznych

Od początku, gdy zrodził się w Instytucie pomysł systemu automatyki MASTER, prace szły w dwóch kierunkach tj.

użytkowego oprogramowania systemowego dla stacji operatorskich i inżynierskich (tzw. runtime systemu), niezależnego o technologii obiektu przemysłowego
oprogramowania edycyjnego, służącego do tworzenia grafik, paneli regulacyjno-sterowniczych, algorytmów wyliczania wielkości wtórnych oraz edycji formatek raportów, charakterystycznych dla konkretnych obiektów przemysłowych, elektrowni, elektrociepłowni, cukrowni, zakładów chemicznych etc.

Wygodnym dla aplikatorów i użytkowników systemu MASTER trendem rozwoju narzędzi inżynierskich jest integracja funkcji edycyjnych, weryfikacyjnych i serwisowo-diagnostycznych, operujących na wspólnej bazie sygnałowej systemu DCS MASTER. Najbardziej charakterystycznym przykładem obecnego działania Instytutu w tym kierunku jest edytor ReginEd.

Edytor ReginEd stosowany jest do projektowania i weryfikacji układów automatyki dla sterowników MASTER-SMC3/SMC4, MASTER-100, wieloportowego modułu komunikacyjnego SMS-8 z portami RS232/RS485 oraz tworzenia projektów przetwarzania wtórnego bramek MGate.
Wszystkie zasoby użytkownika programu ReginEd przechowywane są w bazie danych DBProjects.db. Dostęp do zasobów jest zapewniony poprzez konfigurowalne drzewo zasobów.

W zakresie projektowania i weryfikacji układów automatyki dla sterowników MASTER oraz przetwarzania wtórnego bramek MGate zaimplementowano funkcje m.in.:
pełną edycję, sprawdzanie poprawności i wydruk arkuszy projektowych,
dostęp do bibliotek schematów blokowych REGIN-H,
kompilację projektów poprzez wbudowany kompilator KompRegin i tworzenie programów wykonywalnych.
przesyłanie programów wykonywalnych do sterowników / bramek MGate,
weryfikację projektów edycyjnych dla sterowników MASTER w tym:

komunikację ze sterownikiem, wybór adresów i odczyt bieżących wartości ze sterownika oraz wizualizację wartości na arkuszach w różnych formatach,
wykonywanie operacji na adresach – forsowania i odforsowywania,
weryfikację zaprojektowanych układów przetwarzania wtórnego dla bramek MGate w tym:
– komunikację z bramkami MGate,
– odczyt bieżących wartości z bramek MGate oraz ich wizualizację na arkuszach projektowych.

3. Rozwój systemu automatyki MASTER w obszarze nowych strategii

3.1. Stacje operatorskie MASTER-Windows

Aktualnie prowadzone są prace nad przeniesieniem oprogramowania stacji operatorskiej na system Windows. Jest to podyktowane potrzebami rynku i preferencjami części użytkowników odnośnie systemu Windows jako platformy operacyjnej stacji operatorskich. Do tej pory Instytut oferował stacje operatorskie wyłącznie na bazie systemów operacyjnych serii QNX2/4/6 tj. systemów typu UNIX czasu rzeczywistego. (Rys. 10)

Rys. 10. Struktura stacji operatorskiej MASTER-Windows

Stacja operatorska w systemie Windows będzie umożliwiała:

nielimitowaną liczbą źródeł danych tzw. stacji automatyki tj. redundantnych bramek MGate,
sieciowy dostęp do archiwów zdarzeń i pomiarów,
duże plikowe archiwa pomiarów z rozdzielczością 1-sekundowa, ograniczone pojemnością dysków,
nowoczesny design interfejsu użytkownika w oparciu o biblioteki Qt i BCGSoft,
łatwość eksportu danych ze stacji.

Zachowana zostanie wsteczna kompatybilność tj. dane przygotowane na potrzeby wcześniejszych instalacji ze stacjami QNX6 będą mogły zostać w łatwy sposób przeniesione na nowe stacje operatorskie z systemami Windows.

3.2. Prace w zakresie DCS MASTER

Aktualnie prowadzone są w Instytucie prace nad nowoczesnym systemem DCS MASTER, przechowującym i zarządzającym pełnymi zasobami systemów MASTER, ze wszystkich obiektów energetycznych, obsługiwanych przez IASE. (Rys. 11)

Rys.11. Ogólna struktura systemu DCS MASTER

W strukturze organizacyjnej systemu DCS MASTER wyróżnić można serwery obiektowe DCS zainstalowane
na poszczególnych obiektach oraz zlokalizowany w IASE centralny serwer DCS z centralną bazą danych
MySQL-DCSMASTER pracujący w systemie GNU/Linux, gromadzący zasoby systemowe wszystkich serwerów obiektowych.

W bazach serwerów obiektowych przechowywane są sygnały obiektowe, konfiguracje i oprogramowanie wszystkich poziomów organizacyjnych ( procesowego, operatorskiego i nadrzędnego) systemu MASTER, ich dokumentacje programowe oraz dokumentacje projektowe szaf automatyki i szaf komputerowych, a także sieciowe rozwiązania komunikacyjne, etc.
Systemy serwerów obiektowych zostaną zintegrowane ze wszystkimi, aktualnie istniejącymi podsystemami softwarowymi IASE tj. oprogramowaniem systemowym i edycyjnym stacji operatorskich, stacji komunikacyjno-przetwarzających (bramek) oraz sterowników MASTER, w celu ujednolicenia sposobu przechowywania, zarządzania konfiguracją obiektową, całkowicie niezależną od platformy sprzętowo/programowej

Komunikacja z serwerami DCS realizowana jest poprzez dobrze zdefiniowaną warstwę interfejsów komunikacyjnych i usług dostępowych, bazujących na standardowych protokołach wymiany danych (m.in. usługi typu REST (web services), formaty XML, JSON.
Za pośrednictwem usług dostępowych, programy edycyjne (np ReginEd), stacje operatorskie i inżynierskie MASTER mogą swobodnie z dowolnego miejsca modyfikować parametry sygnałów oraz dodawać i usuwać istniejące wpisy konfiguracyjne.
W przyszłości będzie także możliwe stworzenie jednolitego interfejsu sieci web, umożliwiającego modyfikację oraz podgląd bazy DCS poprzez wykorzystanie dowolnej przeglądarki WWW.

3.3. Wykorzystanie sieci internetowych w operatorskiej obsłudze obiektów przemysłowych

W witrynie internetowej Systemu MASTER, z poziomu przeglądarek internetowych, dostępne były dotychczas okna zdarzeń, wykresów i synoptyk, aktualizowanych na bieżąco pomiarami obiektowymi. Oprogramowanie zostało zmodyfikowane o możliwość operacji sterowań i regulacji z wykorzystaniem szyfrowanych połączeń internetowych (https-SSL).
Wykonane oprogramowanie nowej wtyczki (ang. plugin) zainstalowane na komputerze klienta łączy się z usługą zainstalowaną na centralnym serwerze i przekazuje do realizacji zlecone rozkazy regulacji i/lub sterowań (Rys. 12).
Oprogramowanie to umożliwia dostęp do sterowań z wielu źródeł jednocześnie, jest łatwo skalowalne oraz automatycznie aktualizuje udostępniane komputerom klienckim zasoby.
Aktualnie rozwiązanie znalazło zastosowanie w zdalnej regulacji mocy, ze stanowiska operatora w międzyblokowym regulatorze mocy, zgodnie z zadanymi planami produkcyjnymi z Krajowej Dyspozycji Mocy. System może być wykorzystywany również w innych obiektach typu elektrownie wodne, etc.

Rys. 12. Wykorzystanie szyfrowanych połączeń internetowych w zdalnej obsłudze międzyblokowego regulatora mocy

Podsumowanie

Permanentna modernizacja Systemu Automatyki MASTER choćby w wymienionych w artykule aspektach jest niezbędną praktyką w celu podtrzymania swojej konkurencyjności na rynku.
Dbałość o jakość podstawowego produktu jakim jest System Automatyki MASTER z jednoczesnym rozwijaniem innych systemów, tworzy perspektywę skutecznego konkurowania Instytutu z innymi firmami w tej dziedzinie.

Instytut Automatyki Systemów Energetycznych Sp. z o.o.
www.iase.wroc.pl
Autorzy: A. Kieleczawa, M. Białecki, R. Izakiewicz, J. Osio, W. Noiński, P. Pietras, R. Skakowski, D.Wojtanowicz, W. Szubert, E. Ziaja.

UDE