CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004 24 EXEMPLU DE IMPLEMENTARE A UNEI SOLUTII DE COLECTARE, STOCARE SI DISTRIBUIRE A DATELOR DE LA UN CALCULATOR DE PROCES LA O RETEA DE PC-URI, UTILIZAND LabVIEW-DSC Dr.ing. Lucian Balasa INSTRONICA Constanta Drd. Ing. Cosmin Bucur INSTRONICA Constanta Abstract - Paleta de soluii oferite cu ultimele versiuni de instrumente virtuala i drivere provenite de la NATIONAL INSTRUMENTS acoper majoritatea cerinelor ridicate de utilizatorii din domeniu, respectând deopotriv cerinele de aliniere la standarde, scalabilitate si integrare. Un exemplu îl reprezint i aplicaia descris în continuare, în care s-a realizat un gateway între un calculator de proces cu software proprietar, fr posibiliti de comunicaie digital, cu o reea modern de PC-uri i prevzut cu programe SCADA de monitorare. Prin aceast operaie s-a transformat un calculator de proces care realizeaz operaii complexe de reglare cu câteva mii de parametri dintr-un reactor nuclear energetic, dar cu capabiliti limitate de achiziie i vizualizare date, într-un veritabil DSC prevzut cu mijloace de interoperabilitate OPC, sincronizare de timp GPS i baz de date de timp real. Aplicaia este rodul colaborrii specialitilor firmei Instronica SRL cu cei ai Biroului Calculatoare de Proces ai Centralei Nuclearoelectrica Cernavod. 1 INTRODUCERE Prezentul document se refera la descrierea serviciilor tehnice ce au ca scop implementarea unei solutii de colectare, stocare si distribuire a datelor dintr-un calculator de proces in vederea integrarii intr-un sistem SCADA a doua aplicatii de achizitie date de tip Time-Sincronisation (DCC TimeWorks) si Data-Logger (DCC DataDispatch) Deschiderea acestor aplicatii catre programele SCADA reprezinta solutia optima recomandata in astfel de cazuri, tinand cont de nevoile continue de modificare si optimizare permanente a arhivelor de date care apar in exploatarea curenta a unor astfel de aplicatii, producatoare de mari cantitati de date ce trebuie inregistrate si arhivate. In cadrul acestor servicii a fost intocmita si o baza de date in timp real si istoric in care au fost inregistrate sub forma unor taguri peste 7000 de valori ale parametrilor de proces monitorati in cadrul celor doua aplicatii, cu posibilitatea extinderii numarului acestora. 2 ARHITECTURA HARDWARE Structura hardware pe baza careia s-au dezvoltat aplicatiile este urmatoarea: a) Aplicatia de achizitie inregistrare date si referinta timp (DCC TimeWorks) integreaza un sistem de achizitie date DAQ multifunctional, bazat pe cartela PCI-6071 din familia E Series realizata de National Instruments, USA si o cartela profesionala generatoare de referinta de timp cu posibilitate de conectare la GPS, de tip bc-637pci, realizata de compania DATUM - Bancomm Divizion, (Symmetricom) USA. Cartela PCI-6071 are 32 canale analogice de intrare configurate in mod de lucru diferential pe un domeniu al tensiunii de intrare care sa asigure o rezolutie de 2,44 mv si realizeaza un timp de conversie analog/numerica de cca. 1,2 microsecunde pe canal. Pe baza acestei cartele este dezvoltata aplicatia de tip Data-Logger care inregistreaza evenimente cu cadenta variabila, furnizate de calculatorul de proces prin intermediul unei interfete a acestuia, numita Contact Scanner. Pentru operatiile de timing si sincronizare aplicatia utilizeaza doua countere / timere pe 24 biti ale cartelei iar pentru transmiterea referintelor de
L. BALASA, C. BUCUR: EXEMPLU DE IMPLEMENTARE A UNEI SOLUTII DE COLECTARE, STOCARE SI DISTRIBUIRE A DATELOR DE LA UN CALCULATOR DE PROCES LA O RETEA DE PC-URI, UTILIZAND LABVIEW-DSC 25 timp catre calculatorul de proces sunt folosite doua canale analogice de iesire, configurate in mod diferential. Sincronizarea pe o referinta primara de timp, de tip IRIG sau GPS, este realizata cu ajutorul cartelei BC-637-PCI printr-o solutie de sincronizare de tip bus-level in care insasi cartela, prin modul de programare ales, constituie o sursa de referinta intrun regim «flywhell». Printr-o programare corespunzatoare, in care se utilizeaza drivere de tip VI pentru aceasta cartela in mediul de dezvoltare LabVIEW, este realizat un orologiu de precizie care se poate sincroniza cu o referinta de timp externa ( in cazul de fata prin intermediul unei antene GPS - precum si un strob de precizie cu perioada de 32 ms ce se aplica pe o intrare digitala a calculatorului de proces, pentru sincronizarea unor alte activitati suplimentare. b) Aplicatiile de comunicatie de date cu calculatorul de proces sunt realizate prin intermediul unui dispozitiv BIC-ABLE BIOC rezident in acesta si sunt dezvoltate in jurul unei cartele de comunicatie digitala de mare viteza de tip PCI-DIO32-HS, realizata de National Instruments, USA. Alegerea acestui tip de interfata a fost data de necesitatea realizarii unor transferuri de date catre controllerul BIOC a caror viteza este variabila, aceasta fiind impusa de dispozitivul BIC. De asemenea, aceasta cartela, beneficiind de o viteza mai mare de transfer a datelor prin utilizarea bus-ului PCI, poate asigura un transfer al datelor direct in memoria PC-ului, fara o stationare intermediara. Pentru programarea unor moduri strobate de lucru ale cartelei DIO-32HS sunt utilizate un anumit numar de porturi, constituite din grupuri logice de cate 8 linii digitale de intrare iesire configurate independent, doua cate doua (16 DI si 16 DO). Programarea cartelei se face printr-un protocol de tip handshake trailing edge corespunzator cu configuratia interfetei BIOC, cu un mod de transferare a datelor printr-un buffer simplu. 3 ARHITECTURA SOFTWARE Avand in vedere structura harware-ului instalat, a programelor DCC TimeWorks si DCC DataDispatch existente si a obiectivelor ce trebuie realizate, dezvoltarea aplicatiilor s-a realizat in mediul de programare LabVIEW - Datalogging and Supervisory Control, un super-set al mediului de dezvoltare LabVIEW care asigura toate functiile necesare unui sistem SCADA. In acest fel au putut fi atinse urmatoarele caracteristici si performante: - utilizarea de solutii performante de transmitere a datelor in timp real si de stocare eficienta a acestora; - realizarea cu usurinta a unei baze de date in timp real distribuita (Distributed Real-Time Data Base) care sa asigure foarte usor accesul la date din orice nod al retelei ; - utilizarea unor tehnici eficiente de obtinere a informatiilor pe baza notificarilor active, de tip event driven, in procesul de culegere si inregistrare a datelor, cu avantaje considerabile in ceea ce priveste imbunatatirea performantelor de lucru ale procesorului si compactizarea datelor pe disk. - dezvoltarea structurilor de tip VI-Based Server a permis integrarea aplicatiilor complexe de culegere rapida a unui numar foarte mare de date, DCCTimeWorks si DCCDataDispatch, in sisteme de tip DCS si SCADA ; - au fost asigurate interconectari eficiente si sigure cu alte centre sau noduri de achizitie date locale sau in retele tip LAN. - A fost posibila realizarea unei redundante si a unui grad sporit de securitate pe diferite nivele de acces. Solutia software se bazeaza pe realizarea si inregistrarea a doua VI-Based Servere cu ajutorul caruia datele din aplicatiile sus-mentionate sunt disponibilizate catre diferiti utilizatori. Au fost alcatuite liste de taguri, respectiv itemuri, pentru fiecare parametru in parte care, ulterior au fost inregistrate intr-o baza de date istorica de tip Citadel. Transferul de date pe o comunicatie DataSocket (ver. 4.0) a fost si el introdus si folosit ca un protocol suplimentar in cadrul unei aplicatii suplimentare de vizualizare a diferitelor taguri, numita Scanner Wiewer utilizata in intranet-ul centralei. 3.1 Descrierea principiilor de baza ale structurii VI Based Server Configuratia recomandata pentru realizarea transferului de date catre un server central este aceea care aplicatiile utilizeaza un server Logos (sau VI-server) dezvoltat in jurul hardware-ului de achizitie date (cartelei de comunicatie). Aceasta varianta foloseste complet serviciile LOGOS ceea ce permite realizarea unor surse standard de date in retea, care pot fi folosite apoi foarte usor in orice nod al retelei (deci si de un server central) si in plus este complet compatibila standardului OPC, oferind compatibilitate maxima catre orice sofware
26 CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004 aliniat la acest standard si nu numai la solutiile Logos ale National Instruments. Realizarea unui astfel de server presupune configurarea tuturor varabilelor de proces ca taguri in baza de date RTDB a serverului si conectarea usoara a acestora. De asemenea, aceasta varianta poate asigura si toate conversiile liniare si logaritmice necesare pentru transformarea datelor brute in date ingineresti. Doar alte conversii speciale vor avea nevoie de o conversie separata. Un VI-server foloseste serviciile Logos si interfetele OPC/DCOM manevrate de programul Tag Engine. Acesta poate sa inregistreze un VIserver in nodul de retea pe care este instalat si sa gestioneze tag-urile actualizate de aplicatia Lab- VIEW a utilizatorului. Pentru realizarea serverului se vor folosi VI-uri speciale grupate in Server Interface VIs din VI-Based Server Development Toolkit. In figura nr. 1 se poate observa cum se realizeaza actualizarea unui tag din RTDB. Aceasta operatie trebuie repetata pentru toate tag-urile definite in VI-server si alimentate din cartela de comunicatie. Fig. nr. 2 Dupa operatia de inregistrare, valorile tag-urilor pot fi usor accesate in retea de catre un server SCADA sau o aplicatie de manipulare si prezentare a datelor dupa o schema asemanatoare cu cea din figura urmatoare. In final se poate vedea o diagrama de principiu a unui VIserver construit in jurul cartelei de achizitie date PCI- 6071E. Aceasta este prezentata in figura nr. 3. 4 DESCRIEREA APLICATIEI Avand in vedere ca ambele aplicatii de achizitie date, Time-Sincronisation (DCC-TimeWorks) si Data- Logger (DCC-DataDispatch) au aceeasi arhitectura, in continuare va fi descrisa doar una dintre aceasta si anume aplicatia DCC TimeWorks. Fig. nr.1 Se poate observa ca la actualizarea valorii se poate utiliza un time-stamp diferit de cel al RTC-ului local, deci se poate obtine inregistrarea timpului din momentul achizitiei, ceea ce permite realizarea unor inregistrari foarte corecte din acest punct de vedere si se pot folosi comunicatii de date bufferate, fara a avea probleme de offset in inregistrarea timpului. De asemenea, aceasta facilitate poate ajuta la realizarea combinarii actualizarii aceluiasi tag din surse diferite. Se are in vedere inregistrarea acelorasi AI-uri din calculatoarele de process DCCX si DCCY. Operatia de creare a unui VI-Server pe serviciile Logos trebuie sa fie precedata de o operatie de inregistrare a tag-urilor. Aceasta operatie, care se efectueaza cu VI-uri speciale, este exemplificata in figura nr. 2. In cursul acestei operatii se definesc toti parametrii tag-ului si poate fi avuta in vedere si realizarea acelor conversii din valori brute in valori ingineresti. 4.1 Inregistrarea VI-Serverului Odata ce un VI-Server a fost realizat, inainte de utilizare acesta trebuie inregistrat. Mediul de dezvoltare a acestor aplicatii, LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module, foloseste o baza de date CCDB (Common Configuration DataBase) pentru localizarea acestui server precum si pentru extragerea informatiilor necesare despre acesta, cum ar fi calea (localizarea) fisierului, dispozitivele fizice inregistrate care sunt asociate serverului (hardware-ul) si item-urile inregistrate. Aplicatia de inregistrare a VI-serverului DCC TimeWorks este prezentata in continuare. Panela grafica a acestui VI este prezentata in figura nr. 3. Pentru inregistrare trebuie introduse informatiile privind numele serverului (SERVER NAME) si informatii privind item-urile asociate acestui server: numele item-ului, tipul acestuia (input, output), tipul de date asociat (numeric, digital), unitatea de masura, valori limita (min, max) precum si optiunile de inregistare a acestor marimi in baza de date RTDB.
L. BALASA, C. BUCUR: EXEMPLU DE IMPLEMENTARE A UNEI SOLUTII DE COLECTARE, STOCARE SI DISTRIBUIRE A DATELOR DE LA UN CALCULATOR DE PROCES LA O RETEA DE PC-URI, UTILIZAND LABVIEW-DSC 27 fictiv, implicit, pentru a se putea asocia item-urile existente (implicit: ALL) De asemenea, tot in acest VI este apelat subviul SVRG Add Item Row.vi pentru fiecare item inregistrat pentru DCC TimeWorks Server. Cu ajutorul acestuia sunt inregistrate urmatoarele informatii referitoare la item-uri: - item name; - item data type; - item direction (input, output, I/O); - maximum range; - minimum range; - item unit; - item maxim length. 4.2 Lansarea in executie a VI-Serverului Fig. nr. 3 Diagrama bloc a aplicatiei de inregistare a VI- Server-ului DCC Timeworks este data in figura nr. 4. Elementul de baza al diagramei il constituie VI-ul Register VI-Based Server.vi construit pe o structura asemanatoare cu cea prezentata anterior. Serverul utilizeaza un set de subvi-uri pentru comunicatia cu Tag Engine. Acesta din urma reprezinta motorul sistemului Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module, responsabil pentru lansarea si mentinerea in executie a bazei de date in timp real (Real-Time Database) pentru toate tagurile create precum si pentru starile de alarma asociate acestora. Acest motor ruleaza ca un proces separat, independent de oricare aplicatie HMI din sistem. Serverul este lansat in executie in momentul in care porneste Tag Engine. Acesta poate lansa unul sau mai multe VI-Servere, in functie de tagurile ce trebuiesc urmarite. Aceste taguri se gasesc intr-o lista de taguri creeata cu editorul de taguri Tag Editor, fiind selectate din lista de servere inregistrate in sistem si sunt incarcate la pornirea Tag Engine prin intermediul unui fisier de configurare SCF (System Configuration File). Serverul (serverele) lansate in executie trebuie sa ruleze pana in momentul in care starea logica shutdown din Tag Engine devine TRUE. Panela grafica a VI serverului este aratata in figura nr. 5. Fig. nr. 4 In cadrul acestui VI este apelat subvi-ul SVRG Add Device Row.vi prin care sunt introduse urmatoarele informatii: - device name; - device address; - device default rate; - server name ( asociat ). Avand in vedere faptul ca toate itemurile existente trebuie asociate unui device (hardware) specific, chiar daca acesta nu exista, asa cum este cazul acestui tip de server, totusi trebuie creat unul Fig. nr. 5
28 CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL CNIV 2004 De pe panela sunt introduse numele serverului DataSocket ce ruleaza sub mediul DSC Run-Time Engine si numele item-ului DataSocket care contine informatiile transmise prin serverul DataSocket de la aplicatia DCC TimeWorks la VI- Server-ul DCCTimeWorks. Sunt prezente pe panela si doua indicatoare ce dau informatii operatorului despre functionarea corecta a VI-serverului si despre transmiterea datelor pe conexiunea DataSocket, precum si viteza cu care sunt actualizate valorile item-urilor. Diagrama bloc a VI-Serverului DCC TimeWorks este prezentata in figura nr. 6. Aplicatia contine doua bucle WHILE ce ruleaza in paralel si a caror oprire este controlata prin intermediul variabilei locale VISERVER RUN. in care este introdus numele serverului lansat. Acest VI returneaza o lista a item-urilor din Tag Engine utilizate de server si detalii privind modul de utilizare a acestora, inclusiv informatii de timing pentru acestea. Dupa returnarea listei VI-Serverul, prin intermediul VI-ului TimeWorks SRVR SortItems.vi, executa o operatie de verificare si sortare a item-urilor pentru depistarea eventualelor device-uri sau item-uri incorecte, configurate gresit sau care nu sunt disponibile din diferite motive si scrie aceste informatii privind starea acestora in VI-ul SRVR Write Input Queue.vi. Tot in cadrul operatiei de initializare serverul utilizeaza si o lista de grupuri (group list) pentru determinarea configuratiei de timing pentru fiecare item: scan_rate si %deadband. La pornirea VI-Serverului este deschisa mai intai o conexiune pe serverul DataSocket indicat pe panela cu un item name specificat, dupa care este lansata executia celor doua bucle WHILE. In cadrul primei bucle sunt extrase datele din serverul DataSocket si transmise prin intermediul variabilei globale ALM&TIMEST in cealalta bucla WHILE pentru inregistrare. Secventa corespunzatoare initializarii VIserverului este aratata in figura nr. 7. 4.3 Initializarea VI-Serverului In cadrul acestei bucle, are loc mai intai operatiunea de initializare a VI-Serverului pe care Tag Engine trebuie sa o realizeze la lansarea in executie a acestuia, prin intermediul VI-ului SRVR GetItemList.vi Fig. nr. 7
L. BALASA, C. BUCUR: EXEMPLU DE IMPLEMENTARE A UNEI SOLUTII DE COLECTARE, STOCARE SI DISTRIBUIRE A DATELOR DE LA UN CALCULATOR DE PROCES LA O RETEA DE PC-URI, UTILIZAND LABVIEW-DSC 29 Intrarile si iesirile VI-Serverului Un astfel de VI-Server ruleaza in mod continuu, executand o bucla WHILE pentru intrari si o alta pentru iesiri. Tinand cont de natura aplicatiei in care nu exista decat item-uri de intrare si din considerente de reducere a timpului de lucru al procesorului, VI-Serverul DCC TimeWorks ruleaza numai o bucla de input, numita si input polling loop. Secventa diagramei bloc corespunzatoare acestei executii este prezentata in figura nr. 8. Fig. nr. 8 Viteza de executie a acestei bucle trebuie sa asigure rata de scanare impusa prin variabila scan rate, sau sa fie cat mai apropiata de aceasta. Serverul verifica lista de item-uri, in concordanta cu rata de pooling impusa prin program si inscrie toate valorile noi aparute sau care s-au schimbat intr-o lista (rand) de intrare- input queue impreuna cu time-stamp-urile fiecarei valori si cu informatiile privind starea acestora (status-information). Elementul principal al acestei diagrame il constituie VI-ul TimeWorks SRVR Poll Inputs.vi. Diagrama de functionare este prezentat in figura nr. 9. 5 CONCLUZII Pachetul de programe LabVIEW Datalogging and Supervisory Control Module ofera posibilitatea dezvoltarii usoare si flexibile prin metode grafice de programare - a unor solutii performante si eficiente de achizitie rapida a datelor combinate cu masuratori industriale de monitorizare si control, in cadrul unui sistem SCADA. Solutia prezentata reprezinta un exemplu in care, prin realizarea unui gateway intre un calculator de proces cu software dedicat si o retea de PC-uri pe care au fost instalate aplicatii dezvoltate in LabVIEW-DSC, s-au putut realiza premisele dezvoltarii un sistem SCADA cu functii principale de monitorizare si achizitie de date, cu capabilitati de conectivitate OPC, sincronizare in timp real pe GPS si baze da date distribuite.! " # $