Система обучения архитектуре SCADA, независимая от аппаратной реализации ПЛК

Популярность ПЛК обусловлена применением данных компонентов для эффективного решения разнообразных задач автоматизации промышленности и инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства с помощью программно-аппаратных SCADA-систем. В данном сегменте рынка представлены крупнейшие промышленные гиганты: ABB, Beckhoff, Beijer Electronics, Eaton, Emerson Electric, Fuji, IDEC, Infineon Technologies, Hitachi, Honeywell, LS Electric, Mitsubishi, Omron, Panasonic, Parker Hannifin, Bosch, Rockwell, Schneider, Siemens, Toshiba и другие.

Создание и эксплуатация современных систем автоматизации, в которых основным элементом управления исполнительными устройствами является ПЛК (уровень 2 общепринятой модели SCADA-систем), определяет потребность в квалифицированных специалистах в различных прикладных областях, способных решать такие задачи на основе данной архитектуры. Для обучения специалистов применению ПЛК изготовители компонентов систем автоматизации создают учебные центры на своих корпоративных площадках и в технических университетах.

Сегодня система обучения применению ПЛК является, на наш взгляд, уже не конкурентным преимуществом какого-либо изготовителя, а необходимым условием его присутствия на рынке компонентов промышленной автоматики. Инженеры и студенты, осваивающие ПЛК, нуждаются в качественной поддержке со стороны преподавательского сообщества, но при этом предъявляют определенные требования к образовательным услугам по объему и содержанию теоретической части обучения, практических навыков и соответствию новейшим достижениям в области промышленной автоматизации.

Вполне естественно, что каждый серьезный производитель ПЛК участвует в оснащении вузов оборудованием и материалами для обучения работе со своей номенклатурой компонентов автоматики. В ряде случаев поддержка вендоров помогает университетам создать привлекательную учебную программу с достаточной практической составляющей. С другой стороны, акцент на поддержку крупных изготовителей ПЛК имеет ряд ограничений и, можно сказать, недостатков, хотя и вытекающих из достоинств системы обучения, создаваемой при участии сильной компании, стремящейся обеспечить успешное продвижение своей продукции и инновационных технологий.

Так, очевидно, учебный класс условно «европейского» поставщика ПЛК не поддерживает номенклатуру «японского» изготовителя контроллеров. Преподаватели также не всегда довольны привязкой к системам одного изготовителя. Разумеется, университетский подход должен обеспечить освещение максимально широкого круга систем и технологий, предназначенных для решения специализированных прикладных задач. Студенты и инженеры, осваивающие ПЛК, также заинтересованы в приобретении универсальных навыков.

Понятно, довольно многие специалисты предпочитают решать задачи с помощью однажды изученной линейки компонентов, причем такой подход позволяет максимально ускорить решение конкретных задач на реальных объектах и сократить расходы. Однако существует масса причин, по которым переход на новые компоненты неизбежен прежде всего потому, что в промышленности и ЖКХ постоянно появляются новые задачи, и для них прежние наработки уже не подходят.

На наш взгляд, большинство преподавателей обеспечивают достаточную универсальность теоретической части обучения построению SCADA-систем с применением ПЛК. Однако освоение ПЛК подразумевает в том числе и интенсивное решение множества задач, максимально приближенных к тем, что ожидают студентов «в поле», на реальных объектах и предприятиях.

Казалось бы, на этом этапе мы неизбежно будем ограничены рамками учебной лаборатории, созданной при любезной поддержке одного из множества поставщиков ПЛК. При этом, разумеется, нужно подчеркнуть пользу создания таких учебных центров и поблагодарить всех изготовителей высокотехнологичных систем, помогающих университетам в оснащении классов и лабораторий. Однако сейчас доступны системы обучения применению ПЛК, построения и эксплуатации SCADA-систем, не привязанные к номенклатуре какого-либо поставщика компонентов промышленной автоматики.

Примером независимой системы обучения и программирования ПЛК является система NEON, к основным физическим элементам которой относятся устройства с операционной системой Аndroid (рис. 1), например смартфон или планшет учащегося, либо иное устройство с ОС Android, в частности — ПК Orange PI, HMI-панели и т. п. Вычислительные возможности гаджета используются для реализации логических функций ПЛК, а пользовательский интерфейс предназначен для создания операторской панели.

Рис. 1. Структура системы NEON

Передача данных между виртуальным ПЛК на основе Android гаджета и периферийными устройствами — датчиками и исполнительными устройствами — осуществляется через сети Wi-Fi/Ethernet, то есть непосредственно с помощью адаптера Wi-Fi, которым оснащен гаджет, либо с использованием преобразователей интерфейса Wi-Fi/Modbus, в достаточном количестве представленных на рынке.

Обучение студентов основам применения ПЛК можно организовать практически без затрат, поскольку учебные заведения бесплатно получают лицензии на применение ПО NEON. При этом учащиеся имеют возможность освоить различные аспекты программирования ПЛК:

• битовые операции;
• логические функции;
• математические функции;
• таймеры, триггеры, счетчики;
• массивы;
• P-, PD-, PI-, PID-регуляторы с автонастройкой и программированием модели объекта;
• организацию обмена между устройствами (в том числе NEON) по протоколу Modbus TCP master/slave;
• организацию обмена в сети NEON устройств на основе протокола публикаций и подписок;
• организацию обмена со SCADA по протоколам Modbus TCP и OPC UA;
• организацию обмена с облаком WEB SCADA и построение систем диспетчеризации;
• создание собственных функциональных блоков на языке С.

Если для подключения к системе оконечных устройств потребуется приобрести преобразователи интерфейса Modbus TCP (Wi-Fi, Ethernet) или Modbus RTU, затраты окажутся весьма незначительными. При этом благодаря облаку WEB SCADA, разворачиваемому на вычислительных мощностях учебного заведения (рис. 2), численность одновременно обучающихся студентов может достигать сотен человек. Облако WEB SCADA позволяет множеству пользователей одновременно вести свои проекты независимо друг от друга.

Рис. 2. Экран пользователя системы NEON с подключенным WEB SCADA-облаком

Студенты, обучающиеся с помощью системы NEON, имеют возможность выполнить несколько типовых проектов, решающих часто встречающиеся задачи автоматизации различных объектов, таких как:

• промышленные холодильные установки (рис. 3);
  
  

  Рис. 3. Панель оператора промышленной холодильной установки

• котельные и системы вентиляции (рис. 4);
  
  

  Рис. 4. Панель оператора котельной и системы вентиляции

• системы водоснабжения (рис. 5);
  
  

  Рис. 5. Панель оператора системы водоснабжения

• системы очистки воды (рис. 6);
  
  

  Рис. 6. Панель оператора промышленной системы очистки воды

• медицинское оборудование (рис. 7);
  
  

  Рис. 7. Панель оператора медицинского оборудования

• компрессорные станции (рис. 8).
  
  

  Рис. 8. Панель оператора компрессорной станции

Примеры подключаемых к системе NEON периферийных устройств — датчиков положения, дальномеров, устройств ввода/вывода данных, исполнительных механизмов — показаны на рис. 9.

Рис. 9. Примеры периферийных устройств, подключаемых к системе NEON

Блок сетевых коммуникаций системы NEON, представленный на рис. 10, позволяет управлять сложными распределенными системами, объекты которых размещены на значительном расстоянии друг от друга.

Рис. 10. Сетевые коммуникации системы NEON

Огромная область применения систем автоматизации на основе архитектуры SCADA требует значительных усилий преподавательского сообщества, направленных на подготовку специалистов, владеющих технологией ПЛК. Современная система обучения NEON, построенная на максимально доступных компонентах, с практически нулевыми затратами на базовом уровне, является, на наш взгляд, прекрасным инструментом подготовки студентов и повышения квалификации дипломированных специалистов для различных отраслей промышленности. Виртуальная реализация программного ядра ПЛК позволяет не только радикально сократить затраты на развертывание учебно-исследовательской SCADA-системы, но и обеспечить возможность моментальной реакции на появление новых требований к подготовке специалистов, новых технологий и решений, а также изменения конъюнктуры рынка компонентов промышленной автоматики.