Введение

Одним из первых этапов на пути решения проблемы энергосбережения является внедрение на объектах теплоэнергетики (ОТЭ) систем мониторинга, учета и регулирования потребляемых и вырабатываемых ресурсов, анализа эксплуатационных режимов ОТЭ. В результате этого повышается уровень оснащенности объектов средствами измерения параметров, что является предпосылкой создания автоматизированных систем, обеспечивающих энергосберегающие режимы ее работы.

Особо сложные и функционально разнообразные задачи возникают при техническом обслуживании объектов с развитой инженерной инфраструктурой. При этом не только в значительной степени возрастает и усложняется информационная база результатов измерений, обусловленная широким спектром и большим количеством измерительного оборудования, устанавливаемого (иногда на значительном расстоянии друг от друга) на объектах, но и возникает еще один существенный, усложняющий разработку информационно-измерительных и аналитических систем аспект. Он связан с необходимостью создания совокупности автоматизированных рабочих мест с различным набором пользовательских функций. Естественно, что все эти АРМ должны быть объединены в локальную компьютерную сеть, источником обрабатываемых данных для которой являются архивы контрольно-измерительных приборов или контроллеров. Заметим, что для обслуживающего персонала принципиально важно наблюдать за процессами изменения параметров в реальном времени, что требует считывания данных в компьютер с малым периодом времени. Программное управление такого рода системным объектом, включающем совокупность разнотипных контрольно-измерительных приборов, коммуникационных средств - передачи данных в базовый компьютер и распространения их по локальной сети, является, безусловно, нетривиальной задачей.

Коллектив сотрудников ЗАО ВИРА и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, г. Владивосток в 2002 г. завершил работы по созданию рабочей версии информационно-аналитической системы источников теплоты - ИСМА. Система внедрена и эксплуатируется в котельной Всероссийского детского центра <Океан> в пригороде Владивостока. При этом постоянно наращиваются функциональные возможности системы, разрабатываются и встраиваются новые программные модули.

Под объектом автоматизации здесь подразумевается комплекс зданий производственного, технического и жилого фонда ВДЦ "Океан", среди которых:

• Жилые дома по улице Артековская, номера домов: 1,3,5,7;
• Корпус "Бригантина";
• Центральный тепловой пункт (далее по тексту ЦТП) "Парус";
• Система канализационных насосных станций (далее по тексту - КНС);
• Административный корпус;
• Ледовый дворец;
• Автодром;
• Дворец тенниса;
• Тепловой пункт бассейна;
• Система подачи воды со скважин;
• Детский сад;
• Котельная;
• Корпуса №№1,2,3,4,5;
• Аквапарк;
• Автодром;

Задачи системы

Система предназначена для решения перечисленных ниже задач:

• Сбор данных с приборов в режиме реального времени по автоматизируемым объектам ВЦД "Океан" и преобразование в формат, позволяющий занесение в базу данных.
• Архивирование часовых, итоговых и текущих значений параметров технологических процессов на объектах автоматизации ВЦД "Океан".
• Визуальное наблюдение (мониторинг) изменений параметров технологических процессов объектов автоматизации ВЦД "Океан" в режиме реального времени.
• Формирование отчетов по автоматизируемым объектам ВЦД "Океан".
• Предоставление ретроспективной информации в удобном для пользователя системы виде - в виде графиков и таблиц.
• Визуальное информирование пользователя Системы в связи с выходом значений параметров за пределы их нормальной работы.
• Резервирование данных для возможности восстановления в случае сбоя.

В общем, задачи, решаемые системой, концентрируются в двух направлениях - мониторинг, сопровождаемый выявлением нештатных и критических ситуаций с оповещением персонала об их возникновении и ретроспективный анализ накапливаемых и хранимых системой результатов измерений.

Режим мониторинга

Система установлена на трех компьютерах - главного инженера, начальника теплового цеха и оператора, объединенных в локальную сеть (рис. 1). На каждом из компьютеров в реальном времени можно наблюдать динамику функционирования объекта по каждому из имеющихся параметров.

Рис.1. Локальная компьютерная сеть системы ИСМА-ОКЕАН

Кроме того, на дисплее отражаются параметры (рис.2), вычисляемые системой - уровни мазута и воды в резервуарах, а также объемы их заполнения. Текущие значения величин измеряемых и вычисляемых параметров указываются рядом с обозначениями измерительных приборов или внутри отображаемого на схеме оборудования (резервуаров с мазутом и водой).

Одна из основных, наиболее ответственных функций системы - обнаружение нештатных и критических ситуаций и своевременное оповещение об их возникновении. Пользователю предоставлена возможность настройки диапазона нормативных и допустимых значений для каждого из параметров. При выходе величины контролируемого параметра за пределы нормативов включается предупредительная сигнализация - по желанию пользователя либо статическая визуальная (обрамление красной рамкой), либо динамическая (мигающая рамка). При возникновении критической ситуации, которая может привести к аварии, включается аварийная сигнализация - динамическая, сопровождаемая для усиления восприятия звуковой.

Рис.2. Мониторинг работы котельной ВДЦ "Океан"

Режим ретроспективного анализа

В режиме ретроспективного анализа результатов измерений система предоставляет пользователю ряд возможностей, основные из которых сводятся к следующему.

Ретроспективный мониторинг. В ряде случаев возникает потребность интегрально оценить ситуацию, сложившуюся в прошлом, по совокупности значений измеряемых параметров. Для этого в системе предусмотрен режим ретроспективного мониторинга. Он позволяет воспроизвести на экране монитора ход технологического процесса в режиме прошедшего, "псевдо-реального" времени. При этом пользователю предоставляется возможность задания масштаба времени, определяющего скорость воспроизведения процесса.

Построение и визуализация графиков. Графики подразделяются на стандартные и заказные. Стандартные графики реализуются через выпадающее меню, содержащее набор параметров и их сочетаний, подлежащих графическому представлению. Формирование и отображение заказных графиков предполагает предварительное задание функции (от параметров архивных переменных, констант и времени), подлежащей программной интерпретации с последующим графическим представлением.

Стандартные графики подразделяются на две группы:
1. графики параметров (и их сочетаний) во времени;
2. графики параметров, усредненные за каждый час суток заданного интервала времени - <среднее по часам>.

Мониторинг ЦТП и бассейна ВДЦ "ОКЕАН"

Одна из основных задач, требующих решения в процессе создания систем мониторинга и диспетчеризации технических объектов, связана с выбором адекватных масштабу проекта программных и аппаратных средств автоматизации. От выбора тех или иных инструментальных средств в большой степени зависит как программно-техническая архитектура проекта, так и его стоимость.

Существует несколько подходов к созданию программой части информационной системы. Один из них - использование SCADA-систем. Этот подход обладает значительными преимуществами при создании средних и больших систем, т.к. в SCADA-системе уже реализованы алгоритмы опроса приборов, графическая подсистема, коммуникационная подсистема, организующая связь между узлами распределенной системы; алгоритмы управления и многие другие функции. Таким образом, благодаря SCADA-системе отсутствует необходимость реализации этих подсистем. С другой стороны, если речь идет о небольших объектах, стоимость исполнительных модулей, необходимых для работы программного обеспечения, основанного на SCADA-системе, сравнима с бюджетом всего проекта. Кроме того, если в проекте не предусмотрено управление объектом и в его составе имеется только один узел, используется минимум возможностей SCADA-системы. Другая важная особенность SCADA-системы - наличие в ее составе СУБД реального времени. СУБД-РВ обладает коротким временем отклика и позволяет оперативно сохранять информацию о быстро протекающих процессах с многих точек измерения. Поскольку процессы в теплоэнергетике обладают большой инерционностью, а количество точек измерения на небольших объектах незначительно, с задачей архивирования для таких объектов вполне может справиться СУБД общего назначения. Дополнительно облегчить работу СУБД может использование приборов со встроенными архивами усредненных значений.

Разработка программного обеспечения информационной системы с помощью традиционных средств программирования, напротив, связана с самостоятельной реализацией всех подсистем, что требует более высокой квалификации программистов и приводит к возрастанию временных затрат. С другой стороны, программные модули, реализованные в составе одного проекта, в последствии могут быть использованы и в других аналогичных проектах, если такая возможность будет заложена на этапе их разработки. Таким образом, затраты на начальном этапе могут быть скомпенсированы при разработке последующих проектов.

Руководствуясь изложенными выше соображениями при создании программного обеспечения информационной системы ЦТП ВДЦ "Океан" (рис. 1) были использованы традиционные средства программирования - компилятор C++ и СУБД общего назначения. В процессе выбора СУБД для основного хранилища данных был проведен ряд экспериментов, показавших, что временные характеристики доступа к данным СУБД MySQL в полной мере соответствуют требованиям проекта. Принимая во внимание тот факт, что MySQL бесплатен, а так же широко распространен, мы остановили выбор именно на этой СУБД.

Рис.3. Окно программы мониторинга ЦТП ВДЦ "Океан"

На начальном этапе был определен ряд задач, которые должна решать система в процессе работы. К этим задачам в первую очередь относится сбор информации с приборов и запись ее в базу данных, вывод на экран дисплея мнемосхемы ЦТП, отображающей технологическое оборудование с установленными на нем контрольно-измерительными приборами, визуализацию значений измеренных величин по точкам измерения в реальном времени, отслеживание и указание на экране выхода значений измерений за пределы технологического диапазона, построение графиков по архивным значениям, сохраненным в базе данных; генерация отчета.

В процессе проектирования были проанализированы связи между вышеперечисленными задачами и на основании этого сделан вывод о том, что они разделяются на группы, связанные между собой только через базу данных. Более того, эксплутационные требования к отдельным группам задач значительно различаются. Наиболее логичным решением в данном случае является реализация информационной системы в виде нескольких независимых программ:

• Подсистема сбора и архивации данных;
• Подсистема мониторинга;
• Подсистема ретроспективного анализа данных и генерации отчетов.

Подсистема сбора и архивации данных осуществляет сбор текущих и архивных данных с приборов и запись их в базу данных. Эта программа реализована в виде программного сервера, не имеет пользовательского интерфейса и предназначена для автономной работы. Таким образом, она может устанавливаться как на отдельный компьютер, так и совместно с другими подсистемами.

Конфигурация приборов и набор считываемых параметров задается в базе данных. Так же в конфигурационной таблице задается периодичность опроса текущих и архивных значений измеряемых параметров. На верхнем уровне опрос приборов ведется посредством двух независимых потоков - один для текущих, а другой для архивных данных. На нижнем уровне процедура опроса запускает отдельные потоки на каждый COM-порт. Для предотвращения одновременного доступа к COM-порту из разных потоков используется массив флагов блокировок.

Процесс считывания текущих данных отличается от считывания архива тем, что текущие данные не накапливаются в базе. При поступлении очередных текущих данных старые текущие записи, относящиеся к соответствующим параметрам, удаляются из базы данных. Это позволяет избежать неконтролируемого увеличения базы данных.

Каждый элемент данных, как архивных, так и текущих, привязывается к времени. Для текущих данных в базу записывается время считывания, а для архивных - время, к которому они привязаны в архиве прибора.

Подсистема мониторинга предназначена для отображения результатов измерения, а так же своевременного обнаружения и предупреждения о нештатных ситуациях. Программа отслеживает два вида нештатных ситуаций - выход значения за установленные пределы и устаревание текущих данных. В первом случае программа выделяет информационное окно со значением посредством красной рамки и выдает звуковой сигнал. Во втором случае - информационные окна помечаются серым цветом как неактивные.

Подсистема мониторинга получает значения измерений из базы данных в соответствии с периодом обновления, заданным в конфигурационной таблице. Параметры доступа к базе данных задаются в текстовом конфигурационном файле, доступ к базе данных осуществляется посредством TCP/IP. Таким образом, подсистема мониторинга может работать как на одном компьютере с СУБД, так и на разных компьютерах. Кроме того, с одной базой данных могут работать несколько копий подсистемы мониторинга, установленных на разных компьютерах. На рис.3 показана мнемосхема мониторинга бассейна.

Рис.4. Мониторинг водоснабжения бассейна ВДЦ ОКЕАН