Funkcje stacji operatorskich i serwerów archiwizujących w systemach sterowania

Część pierwsza artykułu ukazała się w lutowym wydaniu CE Polska. W artykule zostały scharakteryzowane funkcje stacji operatorskich i serwerów archiwizujących w systemach DCS, stosowanych w energetyce i przemyśle.
Prof. Leszek Trybus Katedra Informatyki i Automatyki Politechnika Rzeszowska
Platformy serwerów archiwizujących, czyli historianów, podano w tab. 1. Typowy historian archiwizuje 5 do 10 tys. sygnałów. Historiany Uniformance PHD Experiona i DNAhistorian Metso są niezależnymi produktami i bywają stosowane także w innych systemach (np. DNAhistorian dla systemu Procontrol w Elektrowni Turów). Podstawowym przeznaczeniem danych historycznych jest tworzenie: obrazów trendów, pól pracy, średnich za określony czas oraz raportów.

Bazy danych
Na tab. 1. widać, że najbardziej rozpowszechniony jest Oracle. W metsoDNA występują dwie bazy ? Oracle dla alarmów oraz InfoPlus dla zmiennych procesowych. Na rys. 1. pokazano organizację wymiany danych w metso- DNA między serwerem archiwizującym, stacją procesową PCS, alarmową ALP, inżynierską EAS oraz aplikacjami klienckimi. Dane zapisuje się stosując typową kompresję (rys. 2.).
Cykl zapisu
W większości systemów minimalny cykl, z którym wartości sygnałów można zapisywać do bazy, wynosi 1s. W odniesieniu do sygnałów analogowych cyklem stosowanym praktycznie jest 5 s. Alarmy i zdarzenia zapisywane są w momencie wystąpienia. Zmienne fast w Ovation są archiwizowane co 100 ms dzięki zbieraniu i buforowaniu przez rozproszone skanery (rys. 3.). W metsoDNA może to następować nawet co 10 ms ze względu na buforowanie w pojemnej pamięci CPU stacji procesowej (256 MB).
Pojemność dysku
W Ovation szacuje się, że dla typowego bloku 200 MW dane zgromadzone w okresie 1 doby zajmują 5 do 20 MB zależnie od stanu ruchowego. Przyjmując 20 MB w każdym dniu otrzymuje się 7,3 GB na rok. Przestarzałe dane przepisywane są na nośnik zewnętrzny (taśma, dysk magneto?optyczny). Serwery PU, SU Telepermu mają standardowo 73 GB.

Archiwizacja post mortem
Dotyczy zmian sygnałów binarnych w czasie awarii rejestrowanych z dokładnością 1 ms (lub lepszą). W systemach: Melody, Teleperm i metsoDNA stemplowania czasowego dokonują moduły I/O, zaś w pozostałych systemach moduły SOE (Sequence?of?Events) z własną pamięcią [2]. W Telepermie szybką archiwizację aktywuje się sygnałem binarnym. Moduł SOE w Ovation rejestruje zmiany sygnałów co 1/8 ms, w DeltaV co 1/4 ms, a w Experionie, AC 800M, PCS 7 i Alspie co 1 ms.
Redundancja
W aplikacjach energetycznych ze względu na wysokie wymagania odnośnie ciągłości archiwizowanych danych serwery historianów są redundowane. W Ovation, gdzie skanery buforują informację, bywa stosowany pojedynczy serwer (rys. 4). Jest on jednak wyposażony w macierz dyskową RAID, która na osobnych dyskach utrzymuje ?lustrzane odbicia? plików.

Raporty
Typowe raporty są tworzone przez wypełnianie gotowych szablonów danymi archiwizowanymi (uśrednionymi), wartościami chwilowymi oraz ekstremalnymi. Dane mogą być eksportowane do pakietów zewnętrznych, jak: Excel, Crystal Reports czy Aplix ? w celu przygotowania indywidualnych raportów i zestawień graficznych (zob. rys. 5.).

Funkcje specyficzne
Elastyczność wykorzystania danych historycznych umożliwiają funkcje wymienione niżej. Są one zazwyczaj opcjonalne:

• konfiguracja online obrazów trendów spośród wszystkich archiwizowanych sygnałów,
• selekcja z historii zdarzeń sygnałów z określonego okresu,
• odtworzenie przebiegu procesu na podstawie danych archiwalnych (replay),
• redakcja raportu zmianowego lub dobowego z zapisu wybranych wartości chwilowych,
• automatyczne kopiowanie przestarzałych danych na nośnik zewnętrzny.

Na rys. 1A (cz. 1., Control Engineering Polska, wydanie: luty 2006) widać komputer firewall do integracji z siecią biurową, a na rys. 4. bramę dla sieci ogólnoelektrownianej. W tab. 2. podano platformy i narzędzia realizujące integrację. Ze względów bezpieczeństwa platforma jest na ogół osobnym serwerem lub wybraną stacją operatorską (Application, Data Link, Terminal Server).
Fizyczne połączenie sieci przedsiębiorstwa z systemem DCS jest realizowane przez router połączony ze switchem w magistrali operatorskiej. Popularnymi firewallami są: Cisco PIX, Checkpoint Firewall, Netscreen. Dodatkowym zabezpieczeniem jest filtr antywirusowy, np.: McAfee VirusScan czy Net- Shield.

Protokoły
Dostęp do informacji w bazach danych historianów zapewniają protokoły ODBC i OLE DB. W Telepermie, Ovation i metsoDNA dostęp można także uzyskać za pomocą kwerend SQL. ODBC Data Exchange Experiona udostępnia informacje zewnętrznym bazom danych, jak: MS SQL, Oracle, MS Access.Dostęp do danych aktualnych umożliwia protokół OPC (zob. niżej). Dane historyczne i aktualne udostępniają serwery WWW.
Excel
Typowym oprogramowaniem aplikacyjnym po stronie biurowej jest Excel. Na rys. 5. pokazano diagram podsumowania produkcyjnego, sporządzony za pośrednictwem narzędzia Excel Add?in w systemie DeltaV. Aplikacje Historical Data Access Telepermu oraz Open Data Access Experiona służą zazwyczaj do wypełniania arkuszy Excela. Moduł CLOGSQL Alspy zawiera interfejs dla pakietów: Excel, Oracle Report Writer i Lotus.

OPC
Jest to obecnie podstawowy protokół do łączenia systemów DCS oraz integracji z siecią przedsiębiorstwa. Na rys. 1A (cz. 1. artykułu, Control Engineering Polska, wydanie: luty 2006) serwer OPC udostępnia dane aplikacji klienckiej w rozdzielni. Dwukierunkowa wymiana danych wymaga aplikacji client?and?server albo server? to?server po obydwu stronach. Typowy cykl skanowania serwera OPC wynosi 1 s. Dla połączenia systemów DCS może to nie wystarczyć, stąd na przykład pokazany na rys. 6. interfejs OPC Data Access Alspy dzieli dane na 3 grupy uaktualniane co 200, 400 i 800 ms.

Bilansowanie i nadzór eksploatacyjny
Pakiety bilansująco?nadzorujące, które prowadzą obliczenia termodynamiczne w celu określenia: sprawności, wydajności, jednostkowego zużycia paliwa itp., najpierw w odniesieniu do poszczególnych urządzeń, a potem dla całego bloku energetycznego, wymieniono w tab. 3.
Serwer Historian (Plant Connect) na rys. 1A jest implementacją Optimaxa Melody, a stacja obliczeń termicznych turbiny i kotła na rys. 4. implementacją P?calcs Ovation. Optimax i P?calcs zawierają biblioteki z modelami termodynamicznymi ok. 30 urządzeń technologicznych ? modułów obiektowych, takich jak: kocioł, turbina parowa, turbina gazowa, generator, podgrzewacze, pompy, sprężarki itp. (Optimaxa scharakteryzowano skrótowo w [3]). Z modułów tych zestawia się program odpowiadający strukturze konkretnego bloku. Pakiet bilansująco?nadzorujący jest instalowany na osobnej stacji prezentującej wyniki na obrazach i w raportach. Stosowany jest także pakiet TKE z Energopomiaru Gliwice, wyposażony w interfejsy do konkretnych systemów DCS. Oprócz pakietów ?termodynamicznych? spotyka się również pakiety prognozujące optymalny sposób prowadzenia bloku na podstawie sieci neuronowej (konsolę taką widać na rys. 4.).

Dokumentacja ?obca?
Każdy z omawianych systemów zawiera narzędzia służące do integracji i zarządzania dokumentacją ?obcą?, tzn. niezwiązaną bezpośrednio z systemem, ale ze sterowanym obiektem i urządzeniami. W skład systemu operatorskiego OM 650 Telepermu wchodzi Online manual i Plant operation manual. Dokumentację obcą w postaci stron HTML importuje się do Plant operation manual. Notatnik operatora (notebook) umożliwia uzupełnianie dokumentacji własnymi uwagami. W Experionie dokumentację ?obcą? dołącza się w postaci standardowych plików: *. pdf, Word, Excel, HTML, Notepad. Może ona być dostępna zarówno dla operatora, jak i inżyniera systemu. Użytkownik ma możliwość zdefiniowania, jaka dokumentacja jest przeznaczona dla operatora, a jakadla inżyniera. W Alspie dostęp do dokumentacji umożliwia pakiet Optiplant+ w ramach grupy funkcji Plant management. Jedną z nich jest Operation documentation, zawierająca ?linki? do dokumentacji systemowej. Druga funkcja, Management Information System, zapewnia dwukierunkowe połączenie między pakietem Optiplant+ a dokumentacją ?obcą?.

Techniki www
W tab. 4. podano nazwy serwerów www udostępniających dane archiwalne i historyczne w sieci Internet/Intranet za pomocą standardowych przeglądarek (Internet Explorer itp.). W kilku z nich bazą jest typowy Internet Information Server Microsoftu (IIS). Użytkownikami mogą być: aplikacje biurowe, nadzór dyspozytorski, służby techniczne. Stosowana jest technologia thin client, tzn. przeglądarka ogranicza się do prezentacji stron HTML przygotowanych i stale uaktualnianych przez serwer.

Struktura
Aplikacją operatorską serwera web4txp Telepermu jest HMI, a inżynierską ES. Web4txp HMI server jest w stanie obsłużyć 5 klientów podsystemu operatorskiego OM 650. Teleperm wykorzystuje web4txp jako bazę dla centralnej nastawni w elektrowni wieloblokowej. Podobnie eServer Experiona korzysta z mechanizmu DSA (Distributed Server Architecture), udostępniając dane na zewnątrz i wymieniając je z serwerami innych systemów Experion. Historian Uniformance PHD bazuje na serwerze IIS.
Na rys. 7. pokazano strukturę wymiany danych w serwerze @PCS 7 Siemensa. Dane mogą być wizualizowane i przetwarzane przez dowolny komputer wyposażony w interfejs @aGlance. Wchodzi on w skład serwera @PCS 7 na każdej stacji operatorskiej. Komputer odczytujący dane powinien mieć zainstalowany pakiet Web@aGlance i standardową przeglądarkę. Możliwy jest również zapis. Interfejs @aGlance/IT udostępnia dane aplikacjom w sieci przedsiębiorstwa, wtym m.in. dla pakietu Matlab (rys. 7.).

Funkcje
W pakiecie oprogramowania serwera eTools systemu metsoDNA znajdują się narzędzia: eDNAprocessView, runtime, summary, total, logReport i alarmBrowser, a więc niemal to samo, co oferuje stacja operatorska. Za pomocą eDNAwebStage można online modyfikować obrazy prezentowane przez processView. W e320 Web Serverze Alspy aplikacjami klienckimi są: Historic Function, HMI Function, Event Viewer, Elementary Faults.
Na rys. 18. pokazano graficzny obraz procesu, odebrany z Web Servera DeltaV.

Aspect Objects ABB
Technologia ta zapewnia jednolity dostęp do informacji technicznej pochodzącej z różnych źródeł, tzn. jednolitą nawigację i przeglądanie z poziomu całego przedsiębiorstwa. Informacja rezyduje w zintegrowanym środowisku, którego interfejsy zorientowane są na potrzeby różnych grup użytkowników ? operatorów, inżynierów, służb utrzymania ruchu, technologów itd. Za aspekty realnego obiektu uważa się cechy istotne z punktu widzenia danej grupy. Mogą to więc być: obrazy procesu, schematy sterowania, dokumentacja opisowa, koszty produkcji i inne ? jak to pokazano na rys. 9. W technologii Aspect Objects nie tworzy się modelu danych realnego obiektu, czyli np. obiektu COM, ale definiuje nośnik zbioru odsyłaczy do jego aspektów. Taka organizacja informacji o obiektach pozwala łatwiej zorientować się co do wybranego aspektu ich wszystkich. Stąd w systemie 800xA (Melody, AC 800M) znajdują się osobne serwery aspektów (Aspect Server na rys. 1A), udostępniające aspekty obiektów aplikacjom z poziomu przedsiębiorstwa. Serwery są redundowane albo wyposażone w dyski RAID. Można oczekiwać, że równoważne narzędzia pojawią się niebawem w innych systemach.

Podsumowanie
W artykule poświęconym systemom DCS w energetyce i przemyśle scharakteryzowano podsystemy operatorskie i archiwizujące (informacyjne). Wspomniano o pierścieniowej i drzewiastej strukturze sieci, wymieniając protokoły szybko wznawiające komunikację po stwierdzeniu przerwy. Cechami stacji operatorskich są: zaawansowane edytory oraz interfejsy graficzne, zestawy przynajmniej 10 obrazów standardowych, różnorodne powiązania alarmów pozwalające łatwo zorientować się w przyczynie i usunąć skutki, obsługa kamer video. Operator ma do dyspozycji notatnik, może konfigurować obrazy grup stacyjek, ingerować w przebieg sekwencji itp. Typowe obrazy uaktualniane są co 1 s. Serwery archiwizujące ? dzięki rozproszonemu zbieraniu danych (skanery) ? zapewniają krótki cykl zapisu. Moduły SOE i bufory pamięci CPU umożliwiają archiwizację zdarzeń, zachodzących podczas awarii z rozdzielczością 1 ms (post mortem). Serwery są redundowane albo przynajmniej wyposażone w macierze dyskowe o pojemności na dane nawet z okresu 2 lat. W razie potrzeby operator może swobodnie dobierać sygnały dla obrazów trendów. Do integracji systemu DCS z siecią przedsiębiorstwa służą serwery z protokołami ODBC, OLE DB i OPC. Typową aplikacją biurową jest Excel. Serwery WWW udostępniają dane aktualne i archiwalne poprzez przeglądarki internetowe. Funkcjonalność komputera komunikującego się z takim serwerem jest zbliżona do stacji operatorskiej (za wyjątkiem czasu reakcji). Pojawiły się interfejsy do Matlaba. Scharakteryzowano technologię Aspect Objects ABB, pozwalającą różnicować informacje o obiektach i urządzeniach stosownie do potrzeb różnych służb.
ce