Ing. Zdeněk Bartoš, Spel, spol. s r. o.,
Ing. Bořek Vích, ControlTech
Telemetrická síť VaK Karlovy Vary
Na přelomu let 1997 a 1998 rekonstruovali pracovníci firmy Spel telemetrickou síť VaK Karlovy Vary. Šlo o postupnou náhradu dvou stávajících sítí, realizovaných různými radiostanicemi (Radom, Racom RD300), nově vytvářenou sítí, která využívá stejnou frekvenci a nové radiostanice Racom MR25. Výsledkem vzájemného působení na první pohled specifických požadavků zákazníka, možností systémů Allen-Bradley i umu pracovníků společnosti Spel je telemetrická síť, která nemá v rádiových sítích PLC obdoby.
Původní řešení
Řízení původních sítí bylo založeno na použití systému PLC Allen-Bradley, konkrétně typu SLC-500. Nejstarší síť, postavená na systému Radom, byla modernizována zákazníkem, a to tím způsobem, že přepracovaný modem komunikoval signály na úrovni TTL po paralelní sběrnici s I/O jednotkami centrálního systému SLC. Ten fungoval jako nadřízená jednotka sítě, interpretující povely obsluhy zadávané z operátorského pracoviště (PC) do kódu modemu a naopak převádějící přijaté, kódované informace do standardního formátu PLC. Odtud byla data načítána do operátorského PC a graficky zobrazována.
Druhá síť využila radiomodemy Racom RD300 a komunikace se systémy SLC-500 byla řešena sériovou linkou pomocí speciálního uživatelského softwaru. Takto koncipovaný systém byl, vzhledem k unikátnosti a komplikovanosti řešení, nespolehlivý a nedovoloval realizovat nové změny podle požadavku zákazníka. Proto se zákazník rozhodl nové stanice budovat zásadně odlišným způsobem a postupnou rekonstrukcí původních sítí začlenit stanice do jedné sítě.
Požadavky zákazníka
Základním požadavkem zákazníka bylo využít pro komunikaci univerzální systémové prostředky. Univerzální měl být i uživatelský software stanic SCADA na vodojemech a čerpacích stanicích. Software centrálního systému s plánovacím kalendářem přenosů musel být natolik flexibilní, aby umožňoval číst a přepisovat různé datové oblasti podřízených stanic, měnit jejich pořadí, frekvenci přístupů ke stanicím, doplňovat seznam stanic atd. To vše s cílem zaručit zákazníkovi možnost pokračovat v rekonstrukci sítí a postupně začleňovat původní stanice do sítě nové, a to bez pomoci dodavatele. Samozřejmě, že je třeba změny uskutečnit za provozu všech stanic. Dalším požadavkem, ve vodárenských sítích obvyklým, je nutnost, aby i při výpadku centrální stanice pokračovala komunikace mezi čerpacími stanicemi a jimi zásobovanými vodojemy.
Řešení
V souladu s původním řešením se nová síť skládá z centrální stanice a stanic na objektech vodojemů a čerpadel (obr. 1). Centrální stanice, využívající systém SLC-500 s procesorem 5/03, má za úkol periodicky přistupovat na jednotlivé stanice objektů vodárenské sítě podle plánovacího kalendáře. (Kalendář byl nutný pro sdílení jednoho kmitočtu různými nekompatibilními systémy: Radom, Racom RD300 a MR25.) Stanice vodojemů (VDJ) jsou vybaveny malými systémy MicroLogix 1000, čerpací stanice (ČS) systémy SLC-500.
PLC Allen-Bradley disponují komunikací v protokolu DF1 (half a full duplex), určenou pro realizaci sítí SCADA. Pro komunikaci pomocí standardní instrukce MSG (message), používanou systémy Allen-Bradley, vyvinuli pracovníci společnosti Racom z Nového Města na Moravě pro stanici MR25 další komunikační protokol DF1 (full duplex). Od standardního DF1 se protokol radiostanice liší tím, že navíc realizuje tzv. datový filtr: propouští pouze data vysílaná v instrukcích MSG a některá systémová hlášení a směrování, kdy radiostanice propouští do PLC pouze zprávy pro něj určené. Existence systémových hlášení, běžná na metalickém vedení, nedovoluje zapojit do sítě více automatů nakonfigurovaných jako nadřízené jednotky (master). Nadřízená jednotka může být v síti pouze jedna a ostatní se chovají jako podřízené systémy (slave) – ačkoliv disponují stejnými hardwarovými prostředky, jsou schopny komunikovat jen na vyžádání nadřízené stanice. Toto řešení ale odporuje důležitému požadavku uživatele, a to možnosti realizovat komunikaci mezi podřízenými stanicemi (vodojemy, čerpací stanice). Protože modem v této aplikaci filtruje systémová hlášení, jsou všechny systémy, které to umožňují, nakonfigurovány pro komunikaci DF1, full duplex, master. Komunikuje potom nejen hlavní stanice, která realizuje tzv. pool, s podřízenými stanicemi, ale současně a nezávisle i některé stanice podřízené. Synchronizaci zpráv zajišťuje „inteligentní“ komunikační vrstva využívající radiomodemy, které diagnostikují síť.
Další důležitou funkcí radiomodemů je okamžité generování znaku ACK (acknowledge), potvrzujícího přijetí zprávy. Znak ACK generovaný PLC však přijímající modem nevysílá. Tak je omezena zátěž rádiové sítě, ale hlavně zjednodušeno zpracovávání instrukce MSG. Vlastní odpověď na zprávu (informace o zpracování zprávy), generovaná příjemcem, pochopitelně přenesena je.
Systémy PLC Allen-Bradley díky zásobníku (buffer) rozpracovaných komunikačních instrukcí MSG umožňují dokončovat komunikace v jiném pořadí, než v jakém byly zahájeny. Tato funkce, speciálně implementovaná pro realizaci sítí SCADA, dovoluje zahajovat komunikace s dalšími stanicemi, aniž by byla předchozí úloha dokončena. To přispívá ke zrychlení výměny dat i k efektivnějšímu využití rádiového spojení.
Centrální stanice
Jak již bylo zmíněno, základem nové sítě se stal procesor 5/03. Je napojen na operátorské pracoviště s vizualizací (InTouch) na dispečinku, dále komunikoval s řídicími procesory původních dvou sítí (vzájemně synchronizovaný časový multiplex nad sdíleným kmitočtem!; dnes sloučeno do jednoho systému) a hlavně přes radiomodem ovládá novou rádiovou síť. Říkejme mu master.
Tato stanice není nadřízenou jednotkou – masterem ve smyslu řízení poloduplexní komunikace typu master-slaves. Pouze předává radiomodemu zprávy – pakety dat (obálky s adresou) k odeslání a přijímá obálky (odpovědi, popř. zprávy) od ostatních stanic v síti. To je v užším smyslu full-duplex mezi procesorem a radiomodemem, v širším smyslu full-duplex mezi všemi stanicemi v síti.
Procesor na dispečinku je masterem ve smyslu základního plánování – kdo, kdy a s kým bude komunikovat. Základem softwaru je tabulka časového plánování – plánovací kalendář. To je seznam časů, kdy mají začít jednotlivé relace, vyjádřených dekadicky ve tvaru hhmm (např. 1029 je 10 hodin 29 minut). Je-li frekvence obsazena některou z konkurenčních sítí, procesor master počká. Poté na komunikační linku vydá hlášení o tom, že obsadil frekvenci, a začne s obvoláváním stanic své sítě podle jednoho ze seznamů. Říkejme jim seznamy plus a minus (obvolání seznamu minus aktivuje záporně zadaný čas v seznamu, např. –1029). V jeden čas může být naplánováno obvolávání podle obou seznamů.
Oba seznamy obsahují adresy stanic, které mají být obvolány, a u každé stanice je uvedeno, jaká data se mají přenést, (odkud, kam a kolik, tj. logické adresy ve vlastním a obvolávaném procesoru). Jedna sada je pro paket čtení, druhá je pro paket zápisu.
V jedné relaci je možné na stanici sítě odeslat libovolný počet zpráv. Počet je omezen pouze velikostí tabulky plánovacího kalendáře. Důvodem k přenosu většího počtu paketů není programátorská neschopnost sloučit všechna potřebná data do jednoho paketu, ale např. potřeba přímo vstoupit do různých datových oblastí vzdáleného procesoru (s daty minus seznamu proces zachází jinak, např. odeslaná data – systémový čas nebo chybový kód – nemaže). Vzdálený přístup např. k systémovým datům může být velmi důležitý. V případech, kdy procesor z jakéhokoliv důvodu stojí a program nepřesunuje data do přenosových paketů, existuje možnost číst systémová data, protože systém v tomto stavu stále ještě komunikuje.
Tohoto nekonvenčního řešení bylo dosaženo nestandardním zacházením s komunikační instrukcí MSG. Jeho síla je v tom, že veškeré komunikační parametry jsou definovány v tabulkách. Procesor je může podle potřeby měnit či aktualizovat, a tak si při různých relacích vyměňovat různá data. To ostatně může dělat obsluha dispečinku snadno z konfiguračních tabulek, zobrazených v operátorském prostředí, nebo komplexně zadáním různých plánovacích kalendářů a komunikačních tabulek z pevného disku PC do paměti procesoru SLC 5/03. Konečné řešení umožňuje využít až neuvěřitelnou adaptabilitu sítě. Kterákoliv stanice může být nadřazenou jednotkou – třeba všechny najednou nebo lze v případě nouzového stavu (výpadek jiné nadřazené jednotky) adaptivně aktivovat vlastní plánovací kalendář nebo může podřízená stanice poslat někomu nevyžádanou zprávu (mimo plánování).
Nezmínil jsem spoustu systémových utilit, jako synchronizaci systémového času sítě nebo diagnostiku. Samozřejmostí je volání mimo pořadí – na základě zobrazení detailu některého vodojemu na obrazovce operátora. Také jsem neuvedl detaily protokolu mezi třemi sítěmi a priority – např. hodinové obvolávání, které je mimo plánovací kalendář, má prioritu a ukončí případnou nedokončenou relaci. Vynechal jsem rozdíly pro malé stanice vybavené kompaktními miniprocesory řady MicroLogix, které nemohou takovouto komunikaci plánovat, ale jinak jsou plnohodnotnými stanicemi v síti, včetně možnosti odesílat nevyžádané zprávy.
Rádiová síť VaK Karlovy Vary je v současné době stále vybavena dvěma systémy. Část sítě funguje v systému Radom a část v novém systému Racom MR25 na frekvencích 300 a 400 MHz. Veškerou komunikaci ale řídí jediné centrální zařízení realizované automatem SLC (s procesorem 5/03). Ten je přes DH-485 připojen na počítač v dispečinku (přes další systém s jednotkou KE). Jak bylo uvedeno, komunikace se systémem Radom je původní a využívá binární I/O na úrovni TTL. S novými radiostanicemi procesor komunikuje přes svůj nultý kanál.
Komunikace se uskutečňuje podle plánovacího kalendáře, který je uživatelsky přístupný a s jeho pomocí lze zakázat nebo povolit komunikaci s danou podřízenou stanicí, měnit periodu přístupu k ní, měnit adresy, ze kterých se data čtou nebo kam se zapisují. Je dokonce možné měnit i délky přenášených dat podle několika předvolených alternativ. Všechny tyto funkce umožňují, mimo standardní přenos technologických dat, měnit i systémová data, jako jsou např. parametry vstupů stanice SCADA, ať již analogových nebo binárních.
Podřízené stanice jsou částečně realizovány automaty SLC-500 s procesory 5/03. Na jejich první kanál (DH-485) je připojen operátorský panel (DTAM micro) pro lokání ovládání. Jak je z obrázku patrné, jsou některé stanice konstruovány na bázi automatů MicroLogix 1000. Toto řešení se ukázalo jako ekonomicky výhodné, protože uživatelský software řeší naprosto stejné zadání jako u většího systému. To znamená, že s pomocí parametrů přepočítává analogové vstupy na fyzikální veličiny, filtruje, řeší poruchové stavy, u impulsních vstupů pro vodoměry počítá okamžitý průtok atd. Podle parametrů lze ovlivňovat chování výstupů, popř. měnit jejich funkce.
V současnosti by bylo možné místo systémů SLC použít automaty MicroLogix 1200 nebo 1500. O správnosti systémového přístupu k rádiovým komunikacím svědčí skutečnost, že zákazník, který je zkušeným projektantem systémů s automaty Rockwell Automation, si sám síť rozšiřuje o další stanice SCADA. O spolehlivosti řešení vypovídá i jeho spokojenost.
|