System zdalnej diagnostyki układów sterowania maszyn
podstawowych
W ostatnich latach można zaobserwować burzliwy rozwój
sterowników programowalnych, przemysłowych sieci komputerowych oraz systemów
monitoringu i nadzoru procesów technologicznych. Możliwość zastosowania
nowych technologii pozwala w optymalny sposób zarządzać procesem
produkcyjnym. Nowoczesne układy sterowania mogą sprostać reżimowi produkcji,
obniżając koszty obsługi oraz zapewniając większe bezpieczeństwo pracy.
Wśród systemów zainstalowanych w BOT KWB Turów SA wyróżnić
należy system zdalnego dostępu do danych diagnostycznych maszyn podstawowych,
przeznaczony dla służb technicznych oddziału automatyki Kopalni. Obsługuje
on maszyny, na których znajdują się instalacje sterowania wyposażone w całości
w swobodnie programowalne sterowniki
SIMATIC. System jest wdrażany i rozwijany od kilku lat przez Instytut Górnictwa
Odkrywkowego Poltegor-Instytut w ścisłej współpracy
z oddziałem automatyki Kopalni. Umożliwia on łatwiejszy i szybszy dostęp do
istotnych z punktu widzenia eksploatacyjnego informacji o nieprawidłowościach
i zakłóceniach w pracy maszyn spowodowanych warunkami górniczymi,
technologicznymi, elektrycznymi lub systemem sterowania. Zdalny i szybki dostęp
do informacji powoduje skrócenie czasów awaryjnych postojów maszyn - ułatwia
i przyśpiesza diagnozę niesprawności i jej usuwanie oraz podnosi komfort i
jakość obsługi służb ruchowych oddziału automatyki. Archiwizacja danych na
maszynach oraz na serwerze stanowiska pozwala również odtworzyć szczegółową
historię zdarzeń i przyczyny zatrzymań maszyny.
Do czasu wprowadzenia systemu zdalnej diagnostyki maszyny
wyposażone w sterowniki SIMATIC posiadały jedynie radiową łączność
telemetryczną, przekazującą informacje do Centrum Dyspozytorskiego w bardzo
ograniczonej ilości (ok. 25 sygnałów wysyłanych i 15 sygnałów odbieranych
z Centrum) i z niewielką szybkością. Istniejący system telemetryczny nie
nadawał się do wykorzystania w celu zdalnego udostępniania danych ze względu
na niezbędną ilość sygnałów do przesłania (ok. 10 tysięcy). Stąd pojawiła
się potrzeba wydzielenia niezależnego systemu dostępu zdalnego,
przeznaczonego dla służb technicznych ruchowych.
Łatwiejszy i szybszy dostęp do informacji oraz podniesienie
komfortu obsługi zostało zrealizowane poprzez zapewnienie zdalnej,
bezprzewodowej łączności modemowej z instalacją sterowania SIMATIC na
maszynach - bez konieczności wyjazdu służb ruchowych na maszynę.
Rysunek 1 pokazuje schematycznie strukturę systemu zdalnego dostępu do danych
diagnostycznych wybranej maszyny, przy założeniu sukcesywnego wyposażania
kolejnych maszyn w system zdalnego udostępniania danych diagnostycznych.
Rys. 1. Konfiguracja systemu zdalnego dostępu
do danych diagnostycznych.
Głównym elementem systemu jest serwer DELL PowerEdge 850
- SATA zlokalizowany w Dziale Automatyki. W celu udostępniania danych
diagnostycznych serwer wyposażony jest w program narzędziowy wizualizacji WINCC
- Web Nawigator. Przy wykorzystaniu sieci LAN możliwe jest udostępnianie
informacji o maszynach wielu użytkownikom. Przeglądanie danych realizowane
jest przy pomocy dowolnej przeglądarki internetowej. W celu ograniczenia
zakresu wyświetlanych danych każdemu z użytkowników systemu można nadać
odpowiednie uprawnienia. Rysunek 2 przedstawia schemat wymiany danych.
Rys. 2. Schemat wymiany danych.
Zainstalowane na serwerze oprogramowanie WinCC w
wersji 6 integruje w pakiecie bazowym wydajny, skalowalny moduł Historian
oparty na Microsoft SQL Server 2000. Oferuje on użytkownikom bogactwo
opcji
w zakresie od wysokowydajnej archiwizacji aktualnych danych procesowych i zdarzeń,
poprzez długoterminową archiwizację z wysokim stopniem kompresji danych i
redundancją, do centralnej wymiany informacji
w formie ogólnozakładowego serwera.
Dane archiwalne procesu zdalnej diagnostyki są przechowywane
w Hurtowni Danych w postaci plików bazodanowych. Dostęp do nich mają osoby
tylko uprawnione zatrudnione w służbach technicznych Kopalni. Wymianę danych
pomiędzy systemem zdalnej diagnostyki, a Hurtownią Danych przedstawia rysunek
3.
Rys. 3. Połączenie systemu zdalnej diagnostyki z
Hurtownią Danych.
Serwer WinCC oparty na systemie operacyjnym Windows
XP współpracuje bezpośrednio ze sterownikiem SIMATIC stacji bazowej
wyposażonym w jednostką centralną CP315. Sterownik stacji bazowej łączy się
poprzez sieć bezprzewodową ze sterownikami SIMATIC zainstalowanymi na
maszynach. Do wymiany danych między serwerem WinCC
a sterownikiem stacji bazowej zaimplementowano wybrane elementy interpretera
RK512 firmy SIEMENS, umożliwiające odczyt danych ze ściśle określonych bloków
danych diagnostycznych sterownika. Pobieranie danych z maszyn przez sterownik
SIMATIC stacji bazowej odbywa się
w trybie ASCII z dedykowanym protokołem. Protokół ten uniemożliwia
jakikolwiek zdalny dostęp do oprogramowania sterowników maszyn
i realizuje jedynie przesyłanie ściśle określonych informacji z maszyn do
stacji bazowej. Pobieranie danych z maszyn odbywa się z jednoczesną kontrolą
pobrania kompletu danych i ewentualnym ponawianiem żądań wysłania brakujących
bloków danych z wybranej maszyny. Natychmiast po zestawieniu połączenia,
automatycznie pobierane są w kolejności: bloki archiwalne (archiwum alarmów,
rejestracje, przebiegi itp.), następnie - po jednokrotnym ściągnięciu
kompletu bloków archiwalnych - ściągane są aktualne bloki synoptyki. Równolegle
z procedurą ściągania danych z wybranej maszyny automatycznie przebiega
procedura zapisu odebranych danych na dysk serwera. Ze względu na czas cyklu użytkownicy
systemu zawsze korzystają z danych zapisanych lokalnie na dysku serwera. Umożliwia
to przeglądanie w trybie "off-line" danych ze wszystkich maszyn z
którymi nawiązywane było połączenie w cyklu. Pobrane dane pozwalają uzyskać
ekrany identyczne do tych jakie ma operator na maszynie czy służby techniczne
w rozdzielniach.
W jednej chwili pobierane będą dane tylko z jednej maszyny
(łączność typu punkt - punkt z komutacją łącza). Ze względu na to
przewiduje się dwa tryby pracy:
- Cykliczne ściąganie kompletu danych
archiwalnych, aktualnych stanów synoptyki z wszystkich maszyn.
- Połączenie tylko z jedną konkretną maszyną i
podgląd on-line jej pracy (przy wyłączeniu cyklu odpytania wszystkich).
Przełączanie trybu pracy oraz parametryzacji maksymalnego
czasu połączenia może dokonywać osoba mająca odpowiednie uprawnienia do
zarządzania systemem. Rysunek nr 4 przedstawia zarządzanie łącznością
z wybraną maszyną.
Rys. 4. Ekran zarządzania łącznością z wybraną
maszyną.
Łączność z maszynami jest realizowana przez komercyjną
sieć telefonii komórkowej operatora ERA GSM z wykorzystaniem modemów przemysłowych
GSM typu MC35iT produkcji Siemens. Modem MC35iT ma zwiększoną za pośrednictwem
anteny zewnętrznej czułość odbiorczą oraz moc nadawczą równą 2W. Od
strony portu komunikacyjnego RS232 modem programowalny jest z wykorzystaniem
standardowych kodów
AT-Hayes'a oraz kodów GSM07.07 i GSM07.05.
Połączenia w ramach sieci GSM są realizowane za pomocą
taryfy telemetrycznej oferowanej w pakiecie Era Biznes. Aktualnie system
znajduje się w trakcie modernizacji w celu wdrożenia usługi Transfera
wykorzystującej dostępną w sieci ERA technologię GPRS. Technologia
pakietowej transmisji danych oparta o protokół IP umożliwi komunikację z
wykorzystaniem protokołów z rodziny TCP/IP. System ten umożliwia tworzenie
podsieci, określanych nazwą APN. APN identyfikowany jest z nazwy i oznacza
zestaw informacji na temat adresacji IP i routingu (kierunku przekazywania
danych płynących z danego APN-u). Korzystanie z GPRS wymaga posiadania
specjalnych urządzeń, które wspierają tą technologię. Do takich urządzeń
należy modem MC 35iT obsługujący system zdalnej diagnostyki.
Rys. 5. Modem MC 35i Terminal.
Adresy IP związane z poszczególnymi kartami SIM w modemach
mogą być przydzielane dynamicznie lub statycznie. Dynamiczny sposób przydziału
adresów oznacza, że przy każdej aktywacji połączenia sieć przydziela adres
IP z wyznaczonej przez PTC puli adresów na cały czas trwania sesji. Rozłączanie
i ponowne połączenie powoduje przydzielenie nowego adresu. System zdalnej
diagnostyki będzie funkcjonować
w oparciu o statyczną adresację IP, co oznacza, że ten sam adres będzie
przydzielany przy kolejnych aktywacjach połączenia. Ponieważ w systemie GPRS
modemy rozpoznawane są po przydzielonym adresie IP, modem który z jakiegoś
powodu zakończył sesje i ją wznowił, zawsze będzie widoczny dla innych
modemów pod tym samym adresem IP. Modemy są autoryzowane przez sieć GPRS
poprzez porównanie numeru karty SIM z odpowiednim wpisem w wewnętrznej bazie
danych ERA (HLR). Porównanie to zachodzi przy próbie otwarcia sesji i jeśli
dana karta nie znajduje się na liście kart uprawnionych do wejścia do danego
APN-u, to system odmawia otwarcia sesji. Poniższy rysunek przedstawia schemat
rozwiązania dla sieci APN.
Rys. 6. Połączenie sieci APN z wykorzystaniem
technologii GPRS.
Ściąganie danych ze sterowników Simatic zainstalowanych na
maszynach podstawowych do serwera zdalnej diagnostyki w Dziale Automatyki polega
na transmitowaniu bloków informacji o długości maksimum 512 bajtów z okresem
podstawowym 1,5 s. Dostęp do danych diagnostycznych wszystkich sterowników
Simatic maszyny odbywa się poprzez bloki wymiany danych w sterowniku
zaprogramowanym do udostępniania danych diagnostycznych. Skrzynka nadawcza
zlokalizowana jest w sterowniku podwozia maszyny. Składa się ona z maksimum
100 bloków danych o długości 512 bajtów każdy. Wymiana danych między
sterownikami zainstalowanymi na maszynie podstawowej odbywa się poprzez sieć
PROFIBUS.
Skrzynka odbiorcza na maszynach zlokalizowana jest także w
sterowniku podwozia. Składa się ona z jednego bloku danych o długości max.
512 bajtów. Ze względu na specyfikę zastosowania, skrzynka odbiorcza jest
praktycznie niewykorzystywana.
Wszystkie obsługiwane w systemie maszyny składają się na
jeden duży projekt oprogramowania. Wybór maszyny odbywa się z ekranu
startowego (rys. 7). Dzięki temu przechodzenie między ekranami różnych
maszyn nie wymaga otwierania różnych projektów, co przyśpiesza i ułatwia
pracę.
Rys. 7. Ekran startowy zdalnego systemu diagnostyki.
Oprócz ekranu startowego dostępne są także inne maski
graficzne:
- synoptyki (jeden lub dwa ekrany dla każdej
maszyny) - rys. 8,
- ekrany szczegółowe według podziału na grupy
technologiczne na maszynach (ok. 20-25 ekranów, zależnie od specyfiki i
wielkości maszyny),
- ekrany stanu wejść i wyjść wszystkich sterowników
maszyny - rys. 9,
- ekran aktualnych awarii, alarmów i zdarzeń ze
wszystkich sterowników na maszynie (do wykorzystania w trybie "on-line"),
- ekran podglądu bufora zarejestrowanych w
sterowniku awarii, alarmów i zdarzeń (podgląd historii w trybie "off-line")
- rys. 12,
- ekran podglądu statystyki ilości wystąpień
zarejestrowanych w buforze sterownika awarii, alarmów i zdarzeń (podgląd w
trybie "off-line").
Rys. 8. Ekran synoptyki dla przykładowej koparki.
Rys. 9. Ekran wejść i wyjść sterownika maszyny.
Dostępne są również następujące ekrany z rejestracją i
wykresami danych archiwizowanych w sterownikach maszyny:
- ekrany z wykresami zarejestrowanych w sterowniku
przebiegów mocy koła i wielkości poślizgu przy ostatnich pięciu wyłączeniach
od poślizgu sprzęgła hydrokinetycznego - rys. 10,
- ekrany z wykresami zarejestrowanych w sterowniku
przebiegów prądu napędów silników obrotu nadwozia przy ostatnich pięciu
wyłączeniach od poślizgów sprzęgła hydrokinetycznego,
- ekran z wykresem wartości napięcia zasilającego
maszynę,
- ekran z rejestracją przekroczeń o 10% wartości
znamionowej 6 kV napięcia zasilającego maszynę - rys. 11.
Rys. 10. Ekran z przykładowym wykresem mocy koła
na koparce.
Rys. 11. Ekran z rejestracją przekroczeń napięcia 6 kV.
Kluczowym elementem diagnostyki jest udostępnianie danych
archiwizowanych lokalnie w sterownikach maszyn. Na maszynach rejestrowane są:
- przebiegi pomiarów wybranych wielkości
elektrycznych,
- bufor wystąpień komunikatów awaryjnych,
alarmowych i informacyjnych (1.000 ostatnich zdarzeń).
Dane przebiegów pomiarów wyświetlane są w postaci wykresów
(np. rys. 10). Dane z bufora komunikatów są automatycznie przetwarzane do
postaci plików tekstowych, co umożliwia ich odczyt przez dowolny edytor
tekstowy lub arkusz kalkulacyjny (np. rys. 12). Możliwe jest wygenerowanie
archiwum i statystyki krótkoterminowej (1.024 komunikatów) oraz aktualizacja
archiwum i statystyki długoterminowej (za miesiąc, maksymalnie 50.000
komunikatów).
Rys. 12. Ekran obsługi bufora komunikatów koparki.
Dodatkowo system posiada szereg procedur automatycznych
archiwizacji, konfigurowanych przez administratora systemu w Dziale Automatyki.
Standardowo system przewiduje:
- automatyczną generację plików archiwum i
statystyki krótkookresowej dla wszystkich obsługiwanych w systemie maszyn,
każdorazowo na styku zmian (6:00, 14:00, 22:00),
- automatyczną aktualizację plików archiwum i
statystyki długookresowej dla wszystkich obsługiwanych w systemie maszyn, każdorazowo
na styku zmian.
Pliki archiwum miesięcznego są zapisywane dla każdej
maszyny
w osobnej kartotece. Format pliku archiwum długookresowego jest identyczny jak
format archiwum krótkookresowego. Na początku pliku są zawsze dopisywane
najnowsze (najbardziej aktualne) komunikaty. Na końcu pliku są komunikaty
najstarsze (najmniej aktualne). Długość pliku archiwum miesięcznego jest
ograniczona programowo do 50.000 linii.
Nowe technologie w dziedzinie informatyki i telekomunikacji
pozwalają na dużo bardziej precyzyjną analizę i diagnostykę aktualnego
stanu maszyny i urządzeń produkcyjnych. Praktycznie bez żadnych ograniczeń
można realizować programowy nadzór nad poprawnością wykonywania poszczególnych
zadań technologicznych. Już tylko od fantazji programisty i od liczby czujników
pomiarowo-kontrolnych zależy poziom diagnostyki urządzeń.
Zwiększenie precyzji wewnętrznego nadzoru nad prawidłowością
funkcjonowania maszyn związane jest niewątpliwie ze znacznym wzrostem liczby
sygnałów i meldunków o przewidywanych, możliwych czy zaistniałych
usterkach. Bardziej złożone urządzenia są źródłem zwiększonej liczby możliwych
usterek i stanów awaryjnych. Nawet doświadczonemu serwisantowi często trudno
jest przeanalizować faktyczny stan urządzenia i sprawnie usunąć usterkę.
Nieocenioną pomocą w takich sytuacjach są systemy
wizualizacji
i nadzoru procesu technologicznego oparte często na komputerach klasy PC,
do których niewątpliwie zalicza się system zdalnej diagnostyki układów
sterowania maszyn podstawowych.
Konrad Leśniewski
BOT KWB Turów SA
Maciej Przytulski
BOT KWB Turów SA
oraz
Pracownia Sterowników i Sterowania IGO Poltegor-Instytut z Wrocławia
