Содержание к диссертации
ТЕРМИНЫ И СОКРАЩЕНИЯ 5
Термины 5
Сокращения 8
ВВЕДЕНИЕ 10
ГЛАВА 1. ЛОКАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ В SCADA СИСТЕМАХ 16
Обзор SCADA систем 21
Мобильное оборудование и КПК 23
Разработка приложений для КПК 25
Локальное управление в системах автоматизации 27
Выводы 31
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ ПРОГРАММНОГО И
АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ 32
Задача оптимального распределения объектов автоматизации между обслуживающим персоналом 32
Преобразователи интерфейсов для подключения КПК к
КОНТРОЛЛЕРАМ И СЧЁТЧИКАМ 41
Преобразователь интерфейсов RS-232/RS-485 43
Преобразователь интерфейсов RS-232/V. 23 44
Преобразователь интерфейсов RS-485(232)/IrDA 45
2.3 Построение модели базовых классов для программного обеспечения
КПК 48
Модифицированная SDI модель 50
Базовый класс коммуникационного потока, реализующего протокол обмена между КПК и контроллером (счётчиком) 52
Базовые классы для приложений локального управления 62
2.3.4. Базовые классы для построения графиков 66
2.4 Выводы 73
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРИЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ 75
3.1 Программное обеспечение для тестирования оборудования 75
Тестирование периферийных интерфейсных контроллеров 76
Тестирование терминальных контроллеров 82
Локальный пульт управления КШГН 91
Локальный пульт управления ГЗУ 103
Локальное управление ГЗУ «Спутник» 105
Локальное управление ГЗУ «Электрон А-400» 108
Локальный пульт управления КЭЦН 117
Выводы 121
ГЛАВА 4. СИНХРОНИЗАЦИЯ ДАННЫХ И ИНТЕГРАЦИЯ
МОБИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В SCADA «ТЕЛЕСКОП ПЛЮС» 124
Локальный пульт управления «Энергетика» 124
Синхронизация данных. Программа DDC 133
Система локального сбора информации со счётчиков электроэнергии 141
Выводы 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ RS-
232/RS-485 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ RS-
232/V.23 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ RS-
485(232)/IRDA 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 171
Термины и сокращения Термины1
Базовый класс - класс, являющийся родителем дочернего класса. Базовый класс содержит в себе наиболее общие атрибуты и методы (функции), описывающие поведение того или иного объекта в наиболее общем виде
Дочерний класс - класс, являющийся наследником базового класса или классов. Дочерний класс на своём уровне вносит уточняющие изменения в атрибуты и методы (функции) базового класса по принципу «от общего к
частному»
Интеллектуальный счётчик электроэнергии (счётчик) -микропроцессорное устройство, выполняющее измерение параметров энергопотребления и передачу накопленной информации согласно протоколу обмена
Интерфейс [аппаратный] - система унифицированных сигналов, предназначенная для обмена информацией между устройствами
Интерфейс [класса (в языке C++)] - часть программного кода, содержащая атрибуты класса и заголовки методов (функций) класса
Конечный класс - дочерний класс, являющийся последним во всей цепочке наследования
Контроллер - микропроцессорное устройство, реализующее управление каким-либо процессом
Применительно к данной работе
Локальное (местное) управление - воздействие на алгоритм работы контроллера путём передачи управляющих команд с локального пульта управления используя локальные (местные) линии связи
Локальный пульт управления - микропроцессорное устройство, позволяющее считывать и запоминать информацию с контроллера, а также реализующее управление контроллером
Локальный (местный) сбор информации - процесс считывания информации с интеллектуального счётчика электроэнергии или контроллера с помощью локального пульта управления для последующего переноса информации в базу данных системы
Маршрут оператора - перечень пунктов (подстанций), которые необходимо посетить оператору для считывания информации со счётчиков электроэнергии
Оператор - должностное лицо, выполняющее локальный сбор информации с помощью локального пульта управления
Протокольная функция - функция, реализующая обмен информацией между контроллером и графической частью (потоком) программы согласно протоколу обмена
Система локального сбора информации - совокупность аппаратных и программных средств, реализующих планирование и выполнение локального сбора информации и обеспечивающих возможность передачи собранной информации в базу данных системы
Система локального управления - совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих локальное (местное) управление объектами (контроллерами)
Структура классов - совокупность классов и их отношений (наследования), на основе которой строится приложение для КПК
Форма [счётчика, контроллера] - экранная форма, выполненная в стиле диалогового окна, отображающая свойства объекта [счётчика, контроллера]
Сокращения
CRC - Circle Redundant Code (циклический избыточный код) ;
DDC - Distance Device Controller (удалённое управление объектом);
- IrDA - Infrared Data Association (ассоциация
инфракрасной передачи данных);
MDI - Multiple Document Interface (многооконный интерфейс представления документа);
MFC - Microsoft Foundation Classes (базовые классы Майкрософт);
SCADA - Supervisory, Control and Data Acquisition (система сбора данных и оперативного диспетчерского управления);
SDI - Single Document Interface (однооконный интерфейс представления документа);
SIR - serial infrared (последовательный инфракрасный); UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (универсальный асинхронный приемопередатчик); АСКУЭ - автоматизированная система коммерческого учёта электроэнергии;
АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами;
ГЗУ - групповая замерная установка; ИК - измерительная камера;
КПК - карманный персональный компьютер;
КШГН - контроллер штангового глубинного насоса;
КЭЦН - контроллер электрического центробежного насоса;
ПИК - периферийный интерфейсный контроллер;
ПО - программное обеспечение;
ППЗУ - программируемое постоянное запоминающее
устройство;
ПСМ - переключатель скважин многопозиционный;
ТК - терминальный контроллер;
ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика;
ТУ - телеуправление;
УК - устройство коммутационное;
ШГН - штанговый глубинный насос;
ШК - шаровой кран;
ЭЦН - электрический центробежный насос;
Введение к работе
Актуальность темы. Ограниченность природных ресурсов на нашей планете приводит к необходимости их бережного использования и точного учёта на каждом этапе добычи, переработки, хранения и потребления. Для решения этих задач существует множество систем учёта нефти, газа, электроэнергии, тепла и т.д. В нефтяной промышленности и энергетике такие системы называются SCADA системами (Supervisory, Control and Data Acquisition - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления).
Современные контроллеры, используемые для сбора и
накопления телеметрической информации, выполняют
первичную обработку данных, передавая в центр уже консолидированную информацию. Для реализации полного доступа к первичной информации используется локальное управление. Практически каждый производитель контроллеров выпускает свой локальный пульт управления. Если на объекте используются контроллеры разных производителей, то обслуживающему персоналу необходимо с собой возить локальные пульты для каждого типа контроллеров.
Поэтому является актуальным исследование возможности использования карманного персонального компьютера (КПК) со специальным аппаратным и программным обеспечением для целей локального управления и сбора и обработки информации в SCADA системе. Использование КПК имеет массу преимуществ и позволяет реализовать систему локального управления для любого оборудования, применяемого в нефтяной компании, и систему локального сбора информации
со всех типов счётчиков электроэнергии, применяемых в энергосбытовой компании.
Цель работы - создание и научное обоснование нового технического решения в области управления технологическими процессами нефтедобычи и построения системы локального сбора информации в электроэнергетике с использованием КПК, оснащённого специальным программным и аппаратным обеспечением.
Достижение поставленной цели потребует решения следующих задач:
разработка алгоритма оптимального распределения объектов автоматизации между обслуживающим персоналом для использования в системе локального сбора информации с применением КПК;
исследование применяемого оборудования (контроллеров и счётчиков) для определения перечня необходимых преобразователей аппаратных интерфейсов для связи КПК и оборудования, разработка необходимых преобразователей;
анализ протоколов обмена и алгоритмов локального управления для разработки структуры базовых классов и компонент, предназначенных для создания специализированного программного обеспечения;
разработка на основе базовых классов и компонент специализированного программного обеспечения для КПК и рабочей станции, позволяющего реализовать следующие функции:
тестирование базового2 оборудования SCADA систем методом эмуляции в КПК контроллера верхнего уровня или сервера сбора и обработки информации;
управление сложными3 объектами автоматизации (контроллеры групповых замерных установок и насосов различного типа) процесса нефтедобычи с помощью КПК;
считывание информации со счётчиков электроэнергии с помощью КПК для последующего экспорта данных в автоматизированную систему коммерческого (технического) учёта электроэнергии;
организация системы локального сбора информации, включающая в себя автоматизацию планирования, распределения заданий и контроля выполнения операторами заданий на сбор информации со счётчиков электроэнергии с помощью КПК.
Методы исследования. В работе использовались
математические методы теории графов, теории алгоритмов и
объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна:
- на основе анализа средств автоматизации
технологических процессов и алгоритмов локального
управления в нефтяной промышленности и
электроэнергетике предложено новое техническое
решение, основанное на использовании КПК со
2 Под базовым оборудованием подразумеваются оборудование, не позволяющее
самостоятельно, т.е. без участия сервера сбора и обработки информации,
автоматизировать какой-либо техпроцесс
3 Сложным объектом будем называть такой объект, для автоматизации техпроцесса
которого базового оборудования не достаточно. Необходимы специализированные
контроллеры
специализированным аппаратным и программным обеспечением в качестве универсального средства для локального управления и сбора информации в SCADA системах;
предложен алгоритм оптимального распределения объектов автоматизации между обслуживающим персоналом для автоматизации организации локального сбора информации с помощью КПК;
разработана структура базовых классов и компонент для создания специализированного программного обеспечения для локального управления и сбора информации с помощью КПК.
На защиту выносятся:
алгоритм оптимального распределения объектов автоматизации между обслуживающим персоналом для создания системы локального сбора информации со счётчиков электроэнергии, позволяющей охватить коммерческим учётом абонентов с малым потреблением;
преобразователи интерфейсов для подключения КПК к различному оборудованию, применяемому в SCADA системах;
разработанный набор базовых классов и компонент для эффективного создания программного обеспечения для локального управления с помощью КПК;
программное обеспечение КПК для тестирования базового оборудования (терминальных контроллеров и периферийных интерфейсных контроллеров), позволяющее автоматизировать диагностику оборудования на объекте;
программное обеспечение КПК для управления специализированными контроллерами (контроллеры групповых замерных установок, глубинных штанговых и центробежных насосов), позволяющее проводить регламентные работы на перечисленном оборудовании;
программное обеспечение КПК для считывания информации со счётчиков электроэнергии, позволяющее получать подробную информацию о характере потребления электроэнергии абонентом и строить прогнозы потребления;
система локального сбора информации со счётчиков электроэнергии, включающая в себя автоматизацию планирования, распределения и контроля выполнения заданий на локальный сбор информации. Практическая ценность. Использование результатов
работы в нефтяной промышленности и энергетике позволяет сократить сроки и повысить качество пуско-наладочных и эксплуатационных работ, проводимых на объекте. Оснащение нефтедобывающих установок соответствующими контроллерами с локальным пультом управления на базе КПК позволяет проводить на месте автоматизированную калибровку установки и иные действия, которые приводят к экономии энергопотребления техпроцесса нефтедобычи до 8%. Применение системы локального сбора информации со счётчиков электроэнергии на базе КПК для точек учёта с малым потреблением позволяет увеличить число абонентов, охваченных автоматизированным коммерческим учётом.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы используются для тестирования оборудования в компании «НПФ Прорыв», внедрены на ряде месторождений
компании «ЮКОС» и на объектах «Энергонефть Самара», что подтверждено актами о внедрении, приведёнными в приложении (см. "Приложение 4 Акты о внедрении результатов работы").
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ежегодных Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» в 2001, 2002 и 2003 годах в МИЭТ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь работ [84-91], включая пять статей.
Личный вклад соискателя. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и 4 приложений. Полный объём диссертации составляет 174 стр.
