Темичев А.А., Nils.H., Кычкин А.В., Андреев Е.И.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Использование программных симуляторов ПЛК при оценке

системы учета потребления энергии

Введение. Сегодня для определения путей энергосбережения, проводится энергетический аудит и менеджмент исследуемых объектов, с целью выявления параметров энергопотребления и перспектив экономии средств.

Проведением энергетического аудита и менеджмента занимаются различные отечественные и зарубежные компании, в обязанности которых входит: осмотр объекта аудита; установка специального оборудования для слежения за энергопотреблением; документирование и выдача отчетности. Компания Envidatec GmbH (Германия) является доминантным представителем подобных организаций, а ее информационная система My-JEVis[1] предоставляет полный инструментарий для выполнения различных операций с энергоданными. Несмотря на гибкость и универсальность, широкое распространение на отечественном рынке системы My-JEVis пока затруднительно. Это обуславливается рядом факторов. Во-первых, административный аппарат крупных производственных предприятий не всегда допускает какой-либо отладки информационной системы «на месте». Во-вторых, необходимость соответствия новым требованиям, предъявляемым к системам энергетического менеджмента в рамках стандарта ISO 50001[2], в частности обеспечения показателей широкой масштабируемости, тиражируемости, контроля качества работы и самодиагностики системы. В связи с этим крайне важным является обеспечение контроля расширения архитектуры My-JEVis при многих источниках энергоданных (до 10⁵ для одного участка) в режиме реального времени, без использования внешнего оборудования и инсталляций на предприятиях.

В практике проектирования и разработки крупных информационных систем для решения подобных вопросов часто применяют различные программные симуляторы. Поскольку сбор и передача данных в систему My-JEVis организованы с использованием программируемых логических контроллеров (ПЛК) линейки VIDA, например, VIDA 350, то разработка его программного симулятора представляется актуальной задачей.

Практическая значимость программного симулятора ПЛК VIDA350 подчеркивается возможностью тестирования процедур передачи энергоданных в систему My-JEVis, оценки реакции системы на ошибочные, некорректные данные и на стресс – устойчивость перед запуском на реальном оборудовании.

Архитектура системы My-JEVis. Центральной частью системы энергоменеджмента является модуль автоматизации сбора данных на основе применения сложных программно – аппаратных комплексов - VIDA, позволяющих повысить эффективность обработки информации с объекта наблюдения.

ПЛК линейки VIDA гарантируют получение данных в режиме реального времени, что позволяет своевременно вводить коррективы и реагировать на аварийные ситуации на объектах. Как правило, производится опрос датчиков температуры, давления, потребления электроэнергии, расхода, затем осуществляется пересылка данных в программную систему аудитора, осуществляющую анализ, визуализацию и регистрацию нестандартных ситуаций по состоянию принятых данных. На рисунке 1 приведена архитектура системы My-JEVis, [4].

Рис. 1. Архитектура системы энергоменеджмента My-JEVis

Приоритеты разработки. Очевидно, что программный симулятор должен полностью обеспечить имитацию работы данного ПЛК. При этом количество подключаемых симуляторов VIDA350 не должно быть ограничено. Таким образом, в качестве основных приоритетов при разработке были выделены следующие:

1. Кроссплатформенность, т.е. возможность запускаться в различных операционных системах, например, Microsoft Windows, UNIX.

2. «Дружелюбность» графического интерфейса пользователя.

3. Возможность визуального наблюдения за ходом процесса симуляции.

4. Формирование эталонных данных без ошибок.

5. Формирование данных с различными видами эталонных ошибок.

Структурная схема симулятора ПЛК VIDA350. По результатам проведенного анализа работы реального ПЛК и с учетом требований и приоритетов к программному симулятору VIDA350 в составе системы My-JEVis разработана его структура, см. рисунок 2. Черными стрелками показаны информационные потоки. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены основные программные компоненты симулятора.

Рис.2. Структура программного симулятора ПЛК VIDA350 в составе системы My-JEVis

Охарактеризуем назначение основных элементов программного симулятора VIDA350:

1. «HTTP сервер» используется для приема HTTP запросов, поступающих в симулятор устройства VIDA350 от системы My-JEVis и генерации HTTP ответов.

2. «Графический интерфейс пользователя» - для взаимодействия пользователя с программным симулятором: установка параметров симуляции, управление процессом симуляции, ведение лога симуляции.

3. «Модуль обработки HTTP запросов» - входит в состав HTTP сервера и используется для разбора поступивших HTTP запросов и выделения из них компонентов запроса системы My-JEVis, и передачи их модулю обработки запросов системы My-JEVis.

4. «Модуль обработки запросов системы My-JEVis» - для обработки различных типов запросов от системы My-JEVis.

5. «Модуль симуляции выходных данных устройства VIDA350» - для генерации данных, отправляемых в систему My-JEVis.

Проблемы разработки. В процессе разработки любого программного продукта неизбежно приходится сталкиваться с проблемами. При разработке программного симулятора устройства VIDA350 были выдвинуты и решены проблемы, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Проблемы, возникшие при разработке симулятора устройства VIDA350

Проблема	Пояснение	Сложность
1.Проектирование эффективно расширяемой архитектуры приложения	Данный пункт подразумевает легкое расширение функциональных возможностей программного продукта, с минимальными затратами. Имеет значение определяющее будущую эффективность развития ПО.	Высокая
2.Выбор программной платформы, наиболее подходящей для заданной цели.	Определяет удобство программирования и платформы, на которых может работать ПО.	Средняя
3.Построение понятного и доступного для освоения графического интерфейса пользователя.	Подразумевает создание интерфейса пользователя с минимальными затратами на обучение работе с ПО.	Средняя
4.Разработка программных алгоритмов генерирования данных и их реализация на алгоритмическом языке программирования.	Подразумевает разработку эффективных и производительных, а иногда и многопоточных, алгоритмов, в данном случае, алгоритмов генерирования данных.	Высокая
5.Тестирование функциональных возможностей созданного приложения.	Качественное выполнение данного требования позволяет выявить большинство ошибок, до передачи ПО клиенту.	Средняя
6.Оптимизация производительности программного симулятора.	Определение наиболее «узких» мест ПО, их анализ и внесение в них изменений, с целью повышения производительности.	Средняя

Экспериментальные испытания. Тестирование работы симулятора заключалось, прежде всего, в проверке работоспособности базовой функциональности: генерирования данных без ошибок. На рисунке 3 представлен результат вывода стека данных, полученных системой My-JEVis от программного симулятора устройства VIDA350.

Рис.3. Визуализация в системе My-JEVis результата приема данных от программного симулятора VIDA350

Сравнив данные, переданные программным симулятором устройства VIDA350, и данные, полученные системой My-JEVis, была выявлена их полная идентичность, что подтвердило работу программного симулятора в режиме формирования безошибочных данных.

Аналогичным образом была проведена оценка работоспособности симулятора в режиме формирования ошибок. Результат проверки приведен в таблице 2. Введены следующие обозначения: N₁ - количество пакетов данных, сформированных симулятором; N₂ - количество принятых пакетов в My-JEVis; N₃ - количество сформированных симулятором ошибок; N₄ - количество распознанных ошибок системой My-JEVis; P – процент обнаружения ошибок, P = N₄ / N₃ * 100%. Количество выборок принято кратным количеству регистрируемых данных с интервалом 15 минут за сутки, то есть 96.

Таблица 2. Результаты идентификации системой My-JEVis ошибок, сформированных симулятором

№ п/п	Наименование теста	N1	N2	N3	N4	P, %
1	Проверка ошибок связи	960	912	48	48	100
2	Отправка данных с непостоянным временным периодом	960	960	480	480	100
3	Отправка данных с не отформатированным временем	960	960	240	240	100
4	Отправка данных с недопустимым значением	480	480	96	96	100

Заключение. Разработан программный симулятор данных ПЛК VIDA350, который успешно интегрирован в состав эксплуатируемой за рубежом системы энергоменеджмента My-JEVis компании ENVIDATEC GmbH. Проведены испытания симулятора с целью формирования эталонных (правильных) энергоданных, а также данных с ошибками, заданными различными шаблонами. Исследованы функции сбора данных с симулятора и обнаружения ошибок системой My-JEVis при различном числе регистрируемых параметров. Функции системы показали 100-процентное обнаружение ошибок при заданных условиях проверки. В перспективе планируется проведение тестов при большем количестве программных симуляторов (от 10000), расположенных на различных территориально распределенных рабочих станциях.

Применение разработанного симулятора позволит программистами проводить отладку уже на ранних стадиях создания программных процедур, необходимых информационной системе энергоменеджмента My-JEVis для соответствия стандарту ISO 50001.

Наличие симулятора ПЛК VIDA 350 в составе встроенной в My-JEVis подсистемы контроля качества выгодно отличает ее от аналогичных систем. В результате этого условия внедрения рассматриваемой системы, соответствующей ISO 50001, на крупных отечественных предприятиях становятся более благоприятными, формируя предпосылки для экономии энергии, экологического и экономического роста регионов.

Литература:

1. Энергосберегающие технологии. http://www.energytechno.ru/.

2. Международная организация по стандартизации. Стандарт ISO 50001. http://www.iso.org/iso/catalogue_detail?csnumber=51297

3. Документация компании «ENVIDATEC» GmbH, http://www envidatec.com