книги / Принципы построения аппаратурно-программного обеспечения рабочего места оператора интеллектуального здания
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
М.В. Кавалеров, Е.Л. Кон, А.А. Южаков
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРНО-ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 681.51.011:004.422.8(075.8) К12
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент В.А. Панов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
кандидат технических наук И.Ф. Федорищев (ЗАО «ИВС», г. Пермь)
Кавалеров, М.В.
К12 Принципы построения аппаратурно-программного обеспечения рабочего места оператора интеллектуального здания : учеб. пособие / М.В. Кавалеров, Е.Л. Кон, А.А. Южаков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 126 с.
ISBN 978-5-398-00926-2
Рассмотрены вопросы, связанные с организацией рабочего места оператора АСДУ интеллектуального здания. Подробно разбираются примеры работы со SCADA-пакетами как инструментальными средствами разработки программного обеспечения рабочего места оператора.
Ориентировано на студентов магистерской подготовки по дисциплине «Принципы построения аппаратурно-программного обеспечения рабочего места оператора интеллектуального здания», а также на аспирантов, специализирующихся в области информационных технологий и систем в промышленности и гражданском строительстве.
УДК 681.51.011:004.422.8(075.8)
ISBN 978-5-398-00926-2 |
© ПНИПУ, 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... |
6 |
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ...................................................................................... |
7 |
1. АППАРАТУРНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ |
|
РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ.......... |
8 |
1.1. Общие сведения об интеллектуальном здании............................................... |
8 |
1.1.1. Понятие «интеллектуальное здание» ..................................................... |
8 |
1.1.2. Основные понятия, связанные с автоматизированным |
|
диспетчерским управлением................................................................... |
8 |
1.1.3. Состав технических средств АСДУ..................................................... |
11 |
1.2. Рабочее место оператора в системе интеллектуального здания................. |
15 |
1.2.1. Рабочее место оператора....................................................................... |
15 |
1.2.2. Базовые архитектуры АСДУ и место человека-оператора |
|
в рамках этих архитектур...................................................................... |
16 |
1.2.2.1. Централизованная архитектура................................................ |
16 |
1.2.2.2. Децентрализованная архитектура............................................ |
19 |
1.2.2.3. Многоуровневая архитектура .................................................. |
25 |
1.2.3. Назначение и основные функции рабочего места оператора ........... |
29 |
1.2.4. Базовые требования к рабочему месту оператора |
|
интеллектуального здания.................................................................... |
30 |
1.3. Классы аппаратурно-программного обеспечения рабочего |
|
места оператора........................................................................................... |
30 |
1.3.1. Управляющие вычислительные машины ............................................ |
30 |
1.3.2. Устройства взаимодействия с оператором.......................................... |
31 |
1.3.2.1. Устройства отображения информации.................................... |
31 |
1.3.2.2. Устройства предоставления оператору невизуальной |
|
информации.............................................................................. |
32 |
1.3.2.3. Органы управления................................................................... |
32 |
1.3.2.4. Операторские панели................................................................ |
33 |
1.3.3. Программное обеспечение, реализующее человеко-машинный |
|
интерфейс............................................................................................... |
33 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
34 |
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА |
|
РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ........ |
35 |
2.1. Человеко-машинное взаимодействие............................................................. |
35 |
2.1.1. Человеко-машинная система ................................................................ |
35 |
2.1.2. Факторы, влияющие на деятельность человека-оператора............... |
35 |
3
2.1.3. Разделение функций между человеком и машиной............................ |
35 |
2.1.4. Психофизиологические характеристики человека-оператора.......... |
36 |
2.2. Проектирование человеко-машинного интерфейса |
|
рабочего места оператора ............................................................................... |
37 |
2.2.1. Сбор информации об информационных потоках |
|
и необходимых управляющих воздействиях с учетом |
|
разделения функций между человеком и машиной............................ |
37 |
2.2.2. Проектирование средств предоставления информации человеку.... |
38 |
2.2.3. Проектирование мнемосхем................................................................. |
38 |
Контрольные вопросы............................................................................................ |
39 |
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ |
|
РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА...................................................................... |
40 |
3.1.Основные классы инструментальных программных и аппаратных средств разработки программного обеспечения рабочего места
оператора.......................................................................................................... |
40 |
3.1.1. Два основных класса инструментальных средств разработки.......... |
40 |
3.1.2. Аппаратурные и программные компоненты |
|
инструментальных средств................................................................... |
41 |
3.2. SCADA-пакеты как специализированные средства реализации |
|
программного обеспечения верхнего уровня систем автоматизации......... |
41 |
3.2.1. О терминах «SCADA-система» и «SCADA-пакет» ............................ |
41 |
3.2.2. Базовые принципы построения SCADA-пакетов................................ |
45 |
3.2.2.1. Выбор примера SCADA-пакета............................................... |
45 |
3.2.2.2. Принцип построения SCADA-пакета на основе |
|
двух базовых модулей.............................................................. |
46 |
3.2.2.3. Процесс создания программного обеспечения |
|
с помощью SCADA-пакета...................................................... |
47 |
3.2.2.4. Запуск готового демонстрационного примера |
|
с помощью SCADA-пакета Genie ........................................... |
49 |
3.2.3. Функции, реализуемые в рамках SCADA-пакетов............................. |
54 |
3.2.3.1. Создание нового файла............................................................. |
54 |
3.2.3.2. Формирование источника сигнала .......................................... |
56 |
3.2.3.3. Создание графика и вывод сигнала на график....................... |
63 |
3.2.3.4. Формирование управляемого аварийного порога.................. |
69 |
3.2.3.5. Сравнение сигнала с аварийным порогом и индикации |
|
о его превышении..................................................................... |
75 |
3.2.3.6. Реализация многооконной программы.................................... |
82 |
3.3.Возможность и специфика применения SCADA-пакетов для реализации программного обеспечения рабочего
места оператора ............................................................................................... |
86 |
4
3.4. Trace Mode как пример SCADA-пакета. Основные особенности |
|
работы со SCADA-пакетом TRACE MODE ................................................. |
91 |
3.4.1. Создание нового проекта ...................................................................... |
91 |
3.4.2. Формирование источника сигнала....................................................... |
95 |
3.4.3. Создание графика и вывод сигнала на график.................................. |
105 |
3.4.4. Запуск разработанной программы...................................................... |
113 |
3.4.5. Выводы об особенностях работы со SCADA-пакетом |
|
TRACE MODE .................................................................................... |
115 |
Контрольные вопросы.......................................................................................... |
118 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................... |
119 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................. |
120 |
ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................................................................... |
122 |
Справочные данные по работе с пакетом GENIE v2.0 ...................................... |
122 |
Общие положения.......................................................................................... |
122 |
Редактор стратегии. Типы блоков................................................................ |
122 |
Особенности написания программ............................................................... |
122 |
Конструктор стратегии. Основные блоки.................................................... |
123 |
Конструктор экрана. Основные блоки......................................................... |
124 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Всовременном мире развитие информационных технологий приводит к тому, что проектируются и внедряются сложные автоматизированные системы диспетчерского управления зданиями, так называемые системы интеллектуального здания. В таких системах ключевую роль играет человек-оператор, который принимает решения по основным вопросам изменения состояния контролируемого объекта, в данном случае интеллектуального здания. Поэтому важной и актуальной является задача разработки рабочего места оператора в таких системах.
Вданном учебном пособии раскрываются основные аспекты участия человека-оператора в работе сложных автоматизированных систем диспетчерского управления зданиями. Рассмотрены базовые архитектуры автоматизированных систем диспетчерского управления зданиями. Большое внимание уделено разбору примеров работы со SCADA-пакетами как инструментальными средствами разработки программного обеспечения рабочего места оператора.
Хочется надеяться, что данное учебное пособие будет полезно магистрантам, специализирующимся в области информационных технологий и систем в промышленности и гражданском строительстве.
6
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АСДУ – автоматизированная система диспетчерского управления.
Д– датчик.
ИТП – индивидуальный тепловой пункт. ИУ – исполнительное устройство.
О– оператор.
УВК |
– управляющий вычислительный комплекс. |
УВМ |
– управляющая вычислительная машина. |
УВО |
– устройство взаимодействия с оператором. |
УОИ |
– устройство отображения информации. |
УСО |
– устройство связи с объектом. |
CS |
– Communication System (коммуникационная система) |
HMI |
– Human-Machine Interface (человеко-машинный интерфейс). |
MTU |
– Master Terminal Unit (главное оконечное устройство) |
RTU |
– Remote Terminal Unit (удаленное оконечное устройство) |
SCADA |
– Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское |
|
управление и сбор данных). |
7
1. АППАРАТУРНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОЧЕГО МЕСТА ОПЕРАТОРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЗДАНИЯ
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОМ ЗДАНИИ
1.1.1. Понятие «интеллектуальное здание»
Понятие «интеллектуальное здание» появилось уже несколько десятилетий назад. В дальнейшем под системой интеллектуального здания мы будет понимать автоматизированную систему диспетчерского управле-
ния (АСДУ) инженерным оборудованием здания. Примерами классов инженерного оборудования являются:
–системы электроснабжения и электроосвещения;
–индивидуальные тепловые пункты (ИТП);
–системы теплоснабжения;
–системы водоснабжения;
–системы вентиляции;
–системы кондиционирования;
–структурированная кабельная система;
–охранная сигнализация;
–пожарная сигнализация;
–система видеонаблюдения;
–система контроля и управления доступом.
Теперь обратимся к понятию «автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ)» и другим основным понятиям.
1.1.2. Основные понятия, связанные с автоматизированным диспетчерским управлением
В мире постоянно происходят события, и между этими событиями можно проследить причинно-следственные связи. В результате различных событий происходят всевозможные манипуляции с веществом, энергией и информацией. Учитывая это, можно дать следующее определение.
Физический процесс – это совокупность взаимосвязанных событий, которые приводят к изменениям, перемещениям и накоплению вещества,
энергии и информации [9].
8
Вообще, понятие «процесс» является многозначным, поэтому в определениях это слово дополняется прилагательными, которые его уточняют. Но часто слово «процесс» может применяться и без таких прилагательных, тогда его смысл понимается из контекста. Здесь в дальнейшем под словом «процесс» будет пониматься именно физический процесс.
Сдревнейших времен люди как разумные существа воспринимали
иперерабатывали информацию об окружающих физических процессах. Они также могли оказывать влияние на эти процессы и, кроме прочего, с помощью орудий труда, которые они изготавливали.
В результате развития науки и техники люди стали способны производить все более сложные орудия труда, все более сложные технические средства. Благодаря этому у людей появилось больше возможностей для восприятия сложных процессов и для воздействия наэти процессы.
Люди стали изготовлять все более сложные орудия труда. В итоге это привело к широкому распространению механизации, то есть замене ручных орудий труда на более сложные механические орудия – станки, машины и т.д.
Следующей ступенью развития стала автоматизация. Автоматизация – это частичное или полное замещение функций
контроля и управления, выполняемых человеком, аналогичными функциями, выполняемыми техническими средствами.
Другими словами, механизация обеспечивает замещение или усиление физических действий человека, тогда как автоматизация обеспечивает замещение или усиление сенсорной и умственной активности человека. Именно с сенсорной и умственной активностью как раз и связаны функции контроля и управления, выполняемые человеком.
В отношении различных процессов могут формулироваться различные задачи автоматизации, которые поясняют, какие конкретные функции контроля и управления должны быть замещены.
Человек воздействует на процесс, пытается управлять им, ориентируясь на некоторые показатели, с помощью которых он может оценить, хорошо или плохо он им управляет. Такие показатели, как правило, числовые, называют критериями управления. Примеры критериев управления:
– среднее потребление электроэнергии за сутки в данном здании;
– качество производимой бумаги по совокупности показателей (плотность, белизна и т.д.);
– отклонение от заданных режимов тестирования двигателя.
9
Под целевым процессом будем понимать физический процесс, применительно к которому осуществляются автоматизация и управление.
Автоматизированная система диспетчерского управления
(АСДУ) – это техническая система, реализующая получение информации о целевом процессе, передачу, преобразование и хранение этой информации, а также формирование управляющих воздействий на целевой процесс согласно установленным задачам автоматизации и критериям управления с участием человека-диспетчера и с использованием каналов связи для взаимодействия с удаленными объектами.
Здесь важно отметить, что человек-диспетчер входит в состав АСДУ, является ее частью, контролируя основные процессы и оказывая управляющие воздействия наосновные компоненты системы.
В дальнейшем вместо терминов «человек-диспетчер» и «диспетчер» также могут использоваться термины «человек-оператор» и«оператор».
Человек-оператор – это человек, осуществляющий трудовую деятельность, основу которой составляет взаимодействие с объектом воздействия, машиной и средой на рабочем месте при использовании информационной модели и органов управления [12].
Здесь информационная модель– это организованное в соответствии с определенной системой правил отображение состояния предмета труда, технической системы, внешней среды и способов воздействия на них [12].
Схематично взаимодействие АСДУ и целевого процесса показано на рис. 1.
Рис. 1. Взаимодействие АСДУ и целевого процесса
Применительно к системе интеллектуального здания под процессом мы понимаем процесс функционирования подсистем здания и соответствующего инженерного оборудования. В широком смысле можно судить о процессе жизнедеятельности здания. При этом люди, находя-
10