Лекция. SCADA-системы

Современная АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Выделяют три этапа развития АСУТП, обусловленные характером объектов и методов управления, средств автоматизации и других компонентов, составляющих содержание системы управления.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.
Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).
Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления; ограниченный прямой необходимостью управления технологическим процессом набор задач пополняется качественно новыми задачами, ранее имеющими вспомогательный характер или относящиеся к другому уровню управления.

Необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации. От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Следует отметить и проблему технологического риска. Технологические процессы в энергетике, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному и экологическому ущербу.

В результате анализа большинства аварий и происшествий на всех видах транспорта, в промышленности и энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80 %.

Таким образом, требование повышения надежности систем диспетчерского управления является одной из предпосылок появления нового подхода, реализованного в концепции SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) и предопределенного ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса.

SCADA-система представляет собой пакет программ, предназначенный для разработки и реализации компьютерных рабочих станции операторов в системах автоматизации производства, т. е. программные средства, реализующие основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, передачи данных и команд системе контроля и управления.

Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации.

Дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI), предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность "рычагов" управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой и сводит к нулю его критические ошибки при управлении.

Следует отметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. Область применения охватывает сложные объекты электро- и водоснабжения, химические, нефтехимические и нефтеперерабатывающие производства, железнодорожный транспорт, транспорт нефти и газа и др.

В России диспетчерское управление технологическими процессами опиралось, главным образом, на опыт оперативно-диспетчерского персонала. Поэтому переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее. К трудностям освоения в России новой информационной технологии, какой являются SCADA-системы, относится как отсутствие эксплуатационного опыта, так и недостаток информации о различных SCADA-системах. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Каждая SCADA-система - это "know-how" компании и поэтому данные о той или иной системе не столь обширны. В СНГ распространяется более 20-ти разных открытых SCADA-программ, в основном зарубежных и частично отечественных производителей. Некоторые из этих SCADA-программ специализированы на конкретные отрасли производства и задачи, но подавляющее большинство SCADA-программ имеют универсальный характер. Ниже перечисляются отдельные SCADA-программы, используемые на предприятиях СНГ.

Среди SCADA-программ зарубежных производителей, используемых на предприятиях СНГ отметим Bridge View и Lookout (National Instuments), Cimplicity (GE Fanuc) - США, Citect (Ci Technologies) - Австралия, Factory Link (U.S.Data Co) - США, Genesis (Iconics Co) - США, iFIX (Intellution) - США, InTouch (Wonderware) - США, Maestro NT, SattGraf 5000 и MicroSCADA (ABB), RealFlex (BJ Software Systems) - США, RSView32 (Rockwell Automation), Sitex (Jade Software) - Великобритания, SCAN 3000 (Honeywell), Virgo 2000 (Altersys), WinCC (Siemens), Wizcon (PC Soft International). SCADA-программы отечественных производителей: Круг 2000 (Круг), САРГОН (НВТ Автоматика), СКАТ-M (Центрпрограммсистем), RTWin CACSD (SWD Real time System), Trace Mode (AdAstra), Viord micro SCADA (Фиорд), VNS (ИнСАТ).

SCADA-система состоит из инструментального комплекса (средство разработки конкретного программного обеспечения разных серверов и рабочих станций) и исполнительского комплекса (реализация разработанного программного обеспечения в определенной операционной среде). С каждым годом уменьшается число фирм, которые сами разрабатывают для своего ПТК оригинальные SCADA программы, и все увеличивается число специализированных программистах фирм, которые выпускают открытые SCADА программы, используемые практически в любых ПТК и с любыми контроллерами.

Открытые SCADA-программы получили такое широкое распространение, поскольку при простоте проектирования ими программного обеспечения рабочих станций оператора, удобстве использования их операторами/диспетчерами производства для контроля и управления производством, богатстве предоставляемых ими функций разным группам управляющего персонала, они способны работать с контроллерами разных фирм и могут реализовать единые по форме представления информации рабочие станции операторов на всем предприятии, независимо от используемых на разных участках технических средств автоматизации.

В данном разделе рассмотрены основные свойства и характеристики современных SCADA-программ, существенно облегчающие проектирование рабочих станций операторов и будущую эксплуатацию при любых модификациях систем контроля и управления, а также при увеличении числа рабочих станций операторов, при расширении реализуемых SCADA-программами функций.

1.1. Компоненты систем контроля и управления и их назначение

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную в предыдущих лекциях.

Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:

сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке.

К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

сбор данных с локальных контроллеров;

обработка данных, включая масштабирование;

поддержание единого времени в системе;

синхронизация работы подсистем;

организация архивов по выбранным параметрам;

обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах:

автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;

средства исполнения прикладных программ;

сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;

обработка первичной информации;

регистрация алармов и исторических данных;

хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);

визуализация информации в виде мнемосхем, графиков и т.п.;

возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как "единое целое" ("recipe" или "установки").

Все компоненты системы управления объединены между собой каналами связи. Обеспечение взаимодействия SCADA - систем с локальными контроллерами, контроллерами верхнего уровня, офисными и промышленными сетями возложено на, так называемое, коммуникационное программное обеспечение. Это достаточно широкий класс программного обеспечения, выбор которого для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, и используемой SCADA - системой.

Большой объем информации, непрерывно поступающий с устройств ввода/вывода систем управления, предопределяет наличие в таких системах баз данных (БД). Основная задача баз данных - своевременно обеспечить пользователя всех уровней управления требуемой информацией. Но если на верхних уровнях АСУ эта задача решена с помощью традиционных БД, то этого не скажешь об уровне АСУ ТП. До недавнего времени регистрация информации в реальном времени решалась на базе ПО интеллектуальных контроллеров и SCADA - систем. В последнее время появились новые возможности по обеспечению высокоскоростного хранения информации в БД.

Бурное развитие Интернет не могло не привлечь внимание производителей программного продукта SCADA. Применение Интернет - технологий в системах управления технологическими процессами в настоящее время достаточно распространенное явление.

Перспективные SCADA-программы имеют 32-х разрядную арифметику и клиент-серверную архитектуру. При этой архитектуре контроллеры по промышленной сети связаны с серверами, а клиенты (рабочие станции операторов) взаимодействуют по информацией сети с серверами. Такая архитектура для малых систем может быть локальной, тогда и сервер, и клиент размещаются на одном компьютере; а для больших систем - распределенной, тогда клиент и серверы распределены по разным узлам информационной сети. Обычно, в больших системах при наличии многих серверов каждый клиент может информационно взаимодействовать с рядом серверов.

Важно отметить все усиливающуюся и весьма перспективную тенденцию включения SCADA-программы в более общий набор взаимосвязанных типовых программных пакетов, имеющих единые СУБД (реального времени и архивные) и совместно реализующих функции контроля и управления на разных иерархических уровнях производства. Примерный набор таких пакетов включает в себя:

-технологические языки программирования контроллеров (пакет программирования алгоритмов контроля и управления);

-SCADA-программу для оператора;

-SCADA-программу для инженерного персонала, реализующую только функции мониторинга;

-SCADA-программу для диспетчера всего производства, включающую в себя функции планирования и управления материальными и энергетическими потоками;

-комплект программно-логического управления периодическими и полунепрерывными технологическими процессами;

-систему обмена производственной информацией (текущими
сигналами датчиков, наблюдаемыми событиями, архивными данными, графическими экранами SCADA-программы) средствами
Internet/Intranet с удаленными пультами, разными системами внутри и вне предприятия, руководящим персоналом в любой точке планеты.

Перспективные SCADA-программы обычно состоят из набора самостоятельных программных модулей, каждый из которых выполняет свой комплекс задач и через единые типовые интерфейсы взаимодействует с другими модулями SCADA-программы. Иногда это взаимодействие реализуется через специальное ядро SCADA-программы, но чаще модули взаимодействуют непосредственно, используя типовую технологию COM/DCOM и объекты ActiveX (подробное их описание приведено в предыдущем разделе). К примеру, возможен нижеследующий набор модулей:

-графический векторный редактор с библиотеками графических примитивов и динамизируемыми изображениями типовых производственных объектов;

-серверная станция с СУБД реального времени и архивом;

-модуль обработки событий и тревог;

-генератор отчетов;

-модуль конфигурирования и реализации трендов;

-модуль математических и логических операций (конфигуратор с библиотекой типовых программных модулей контроля и управления);

-модуль статистической обработки данных;

-модуль взаимосвязи в реальном времени между клиентом и сервером;

-модуль обмена данными с приложениями и другими системами;

-и т. д..

Повышение надежности работы SCADA-программы достигается диагностированием неисправностей и резервированием серверов, рабочих станций или отдельных исполняемых ими функций. Диагностируются также обрывы сетей, соединяющих сервер с контроллерами и рабочих станций с сервером.

Горячее резервирование сервера ввода/вывода (сервера, связанного с контроллерами), чтобы не удваивать нагрузку на промышленную сеть, связывающую сервер с контроллерами, часто организуют следующим образом: резервный сервер каждый цикл получает все текущие данные от основного сервера, но если в очередной цикл данные от него не поступают (неисправность основного сервера), то резервный сервер сам подключается к промышленной сети и работает с нею до тех пор, пока он снова не начнет получать данные от основного сервера. Повышение надежности решения разных задач в сервере достигается также разделением функций сервера и разделением баз данных на отдельные группы задач: сервер работы с текущими сигналами ввода/вывода, сервер обработки графической информации, сервер поддержки отчетов, сервер обслуживания текущих событий и тревог.

Резервирование сетей имеет ряд вариантов: возможно полное резервирование всех элементов сетей; возможно резервирование только физической среды передачи данных или только аппаратуры сети: сетевых контроллеров и повторителей; возможно резервирование связи сервера с контроллерами через дополнительные связи, минуя промышленную сеть, например, связями типа «точка к точке».

Резервирование рабочих станций или их отдельных функций практически не требует специальных действий; оно достигается назначением для дублированных рабочих станций одних и тех же уровней доступа к информации и реализацией на них одних и тех же исполнительных комплексов SCADA-программы.