Процесс разработки программного обеспечения в системах промышленной автоматизации

В системах промышленной автоматизации программное обеспечение является мозгом системы. Управление производственными процессами, сбор данных, выполнение анализа и взаимодействие с оператором осуществляются с помощью программного обеспечения ПЛК (программируемый логический контроллер), HMI (человеко-машинный интерфейс) и SCADA (диспетчерское управление и сбор данных). Разрабатывать это программное обеспечение точно, надежно и гибко; имеет решающее значение для производительности, безопасности и устойчивости системы.
1. Анализ потребностей и функциональное проектирование

Процесс разработки программного обеспечения начинается с детального анализа общих потребностей системы и процесса:

Определяются процессы, которые необходимо контролировать (двигатели, клапаны, датчики, ПИД-контуры и т. д.).

Создаются списки ввода-вывода (I/O), типы сигналов и адресация.

Уточнены сценарии управления, такие как сигнализация, предупреждение, ручной/автоматический режимы работы.

Для поведения системы подготовлен документ функционального описания (FTD).

2. Разработка программного обеспечения ПЛК

Программное обеспечение ПЛК позволяет управлять физическим оборудованием на месте. Языки программирования обычно создаются в соответствии со стандартом IEC 61131-3:

Лестничная диаграмма (LD): часто предпочтение отдается структуре, наиболее близкой к релейной логике.

Функциональная блок-схема (FBD): подходит для приложений управления технологическими процессами и ПИД-регулирования.

Структурированный текст (ST): используется для сложных алгоритмов, вычислений и циклов.

Базовые модули в программе ПЛК:

Ввод/вывод, чтение и запись

Таймеры, счетчики

Логика автоматического и ручного управления

Контроль аварий и неисправностей

Блоки регистрации и передачи данных (Modbus, Profibus, OPC и т.д.)

3. Программное обеспечение HMI и SCADA

HMI (человеко-машинный интерфейс):
Это позволяет операторам контролировать и управлять системой.

Выполнен дизайн экрана: кнопки «Пуск/Стоп», индикаторы температуры/тока, графика и т. д.

Определены переходы страниц, экраны тревожных сообщений и авторизация пользователей.

Данные считываются, записываются и обновляются мгновенно.

Системы SCADA:
Он позволяет осуществлять удаленный мониторинг и регистрацию сотен точек данных на крупных объектах.

Графический мониторинг в реальном времени

Интеграция с базой данных

Модули отчетности и анализа

Экраны удаленного вмешательства и управления

4. Коммуникация и интеграция

В процессе разработки программного обеспечения создается структура, соответствующая следующим протоколам связи:

Modbus RTU/TCP

Profibus/Profinet

OPC UA/DA

EtherNet/IP

MQTT (для приложений IoT)

Интегрированную структуру можно создать с помощью систем ERP, серверов сбора данных и систем удаленного мониторинга.
5. Тестирование и моделирование

Перед тем, как перейти к реальным условиям, программное обеспечение проверяется на точность:

Офлайн-симуляция: виртуальное тестирование проводится в среде разработчика.

Моделирование ввода-вывода: логика проверяется путем моделирования данных датчиков и устройств.

Тест дисплея HMI: проверяется функциональность всех кнопок, индикаторов и предупреждений.

Сценарии тревоги: проверяются такие ситуации, как неправильный вход, остановка, отключение электроэнергии.

6. Ввод в эксплуатацию и оптимизация

Программа ПЛК загружается в полевое устройство.

Проводятся тесты ввода-вывода и проверяется соответствие сигналов.

Активированы системы HMI и SCADA.

Необходимые улучшения вносятся в результате испытаний в реальном времени.

Что следует учитывать при разработке программного обеспечения

Модульная структура: читаемость кода и возможность повторного использования

Управление ошибками: система может переключиться в безопасный режим в случае сбоев.

Резервное копирование и контроль версий: доступ к старым кодам и простота обслуживания

Документация: Понятные объяснения для операторов и обслуживающего персонала.

Кибербезопасность: шифрование и ограничения пользователей для предотвращения несанкционированного доступа