Общие понятия и структура SCADA-систем (Лекция)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Введение

2. Определение и общая структура SCADA

3. Функциональная структура SCADA

4. Особенности SCADA как процесса управления

1. Введение

В настоящее время SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) является наиболее перспективной технологией автоматизированного управления во многих отраслях промышленности.

В последние несколько десятилетий за рубежом резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных.

С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем.

С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий и происшествий в промышленности и на транспортен, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ХХ века ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20 % инцидентов, то в 90-х годах доля «человеческого фактора» возросла до 80 %, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может еще возрасти.

Рис. Тенденции причин аварий в сложных автоматизированных системах

Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению АСУ, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса (HMI - Human-Machine Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на оператора.

Возникла необходимость применения нового подхода при разработке таких систем, а именно, ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи. Реализацией такого подхода и являются SCADA-системы, которые иногда даже называют SCADA/HMI.

Управление технологическими процессами на основе SCADA-систем стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы ХХ века. В России переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее, в 90-е годы.

SCADA-системы наилучшим образом применимы для автоматизации управления непрерывными и распределенными процессами, какими являются нефтегазовые технологические процессы. Кроме нефтяной и газовой промышленности, SCADA-системы применяются в следующих областях:

1) управление производством, передачей и распределением электроэнергии;

2) промышленное производство;

3) водозабор, водоочистка и водораспределение;

4) управление космическими объектами;

5) управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный);

6) телекоммуникации;

7) военная область.

В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Программные продукты многих из этих компаний представлены на российском рынке. Кроме того, в России существуют компании, которые занимаются разработкой отечественных SCADA-систем.

2. Определение и общая структура SCADA

SCADA - это процесс сбора информации реального времени с удаленных объектов для обработки, анализа и возможного управление этими объектами.

В SCADA-системах в большей или меньшей степени реализованы основные принципы, такие, как работа в режиме реального времени, использование значительного объема избыточной информации (высокая частота обновления данных), сетевая архитектура, принципы открытых систем и модульного исполнения, наличие запасного оборудования, работающего в «горячем резерве» и др.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента.

Рис. Основные структурные компоненты SCADA-системы

Remote Terminal Unit (RTU) - удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени.

Системы реального времени бывает двух типов: системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек

Спектр воплощения RTU широк - от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU) - диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени. Одна из основных функций - обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой. MTU может быть реализован в самом разнообразном виде - от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов.

Communication System (CS) - коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU.

3. Функциональная структура SCADA

В названии SCADA присутствуют две основные функции, возлагаемые на системы этого класса:

1) сбор данных о контролируемом процессе;

2) управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность технологического процесса.

SCADA-системы обеспечивают выполнение следующих функций:

1) Прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков.

2) Сохранение принятой информации в архивах.

3) Обработка принятой информации.

4) Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.

5) Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов.

6) Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы.

7) Оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.

8) Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации.

9) Обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием.

10) Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Данный перечень функций, выполняемых SCADA-системами, не является абсолютно полным, более того, наличие некоторых функций и объем их реализации сильно варьируется от системы к системе.

4. Особенности SCADA как процесса управления

Существует два типа управления удаленными объектами в SCADA-системах: автоматическое и инициируемое оператором системы.

Процесс управления в современных SCADA-системах имеет следующие особенности:

1) процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);

2) процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления или даже катастрофическим последствиям;

3) оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая при нормальных условиях только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;

4) активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);

5) действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).


	SCADA Общие понятия и структура SCADA-систем (Лекция) ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Введение 2. Определение и общая структура SCADA 3. Функциональная структура SCADA 4. Особенности SCADA как процесса управления 1. Введение В настоящее время SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) является наиболее перспективной технологией автоматизированного управления во многих отраслях промышленности. В последние несколько десятилетий за рубежом резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий и происшествий в промышленности и на транспортен, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ХХ века ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20 % инцидентов, то в 90-х годах доля «человеческого фактора» возросла до 80 %, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может еще возрасти. Рис. Тенденции причин аварий в сложных автоматизированных системах Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению АСУ, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса (HMI - Human-Machine Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на оператора. Возникла необходимость применения нового подхода при разработке таких систем, а именно, ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи. Реализацией такого подхода и являются SCADA-системы, которые иногда даже называют SCADA/HMI. Управление технологическими процессами на основе SCADA-систем стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы ХХ века. В России переход к управлению на основе SCADA-систем стал осуществляться несколько позднее, в 90-е годы. SCADA-системы наилучшим образом применимы для автоматизации управления непрерывными и распределенными процессами, какими являются нефтегазовые технологические процессы. Кроме нефтяной и газовой промышленности, SCADA-системы применяются в следующих областях: 1) управление производством, передачей и распределением электроэнергии; 2) промышленное производство; 3) водозабор, водоочистка и водораспределение; 4) управление космическими объектами; 5) управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный); 6) телекоммуникации; 7) военная область. В мире насчитывается не один десяток компаний, активно занимающихся разработкой и внедрением SCADA-систем. Программные продукты многих из этих компаний представлены на российском рынке. Кроме того, в России существуют компании, которые занимаются разработкой отечественных SCADA-систем. 2. Определение и общая структура SCADA SCADA - это процесс сбора информации реального времени с удаленных объектов для обработки, анализа и возможного управление этими объектами. В SCADA-системах в большей или меньшей степени реализованы основные принципы, такие, как работа в режиме реального времени, использование значительного объема избыточной информации (высокая частота обновления данных), сетевая архитектура, принципы открытых систем и модульного исполнения, наличие запасного оборудования, работающего в «горячем резерве» и др. Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента. Рис. Основные структурные компоненты SCADA-системы Remote Terminal Unit (RTU) - удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Системы реального времени бывает двух типов: системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени. Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек Спектр воплощения RTU широк - от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом. Master Terminal Unit (MTU) - диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени. Одна из основных функций - обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой. MTU может быть реализован в самом разнообразном виде - от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Communication System (CS) - коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU. 3. Функциональная структура SCADA В названии SCADA присутствуют две основные функции, возлагаемые на системы этого класса: 1) сбор данных о контролируемом процессе; 2) управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность технологического процесса. SCADA-системы обеспечивают выполнение следующих функций: 1) Прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков. 2) Сохранение принятой информации в архивах. 3) Обработка принятой информации. 4) Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме. 5) Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов. 6) Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы. 7) Оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях. 8) Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации. 9) Обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием. 10) Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами. Данный перечень функций, выполняемых SCADA-системами, не является абсолютно полным, более того, наличие некоторых функций и объем их реализации сильно варьируется от системы к системе. 4. Особенности SCADA как процесса управления Существует два типа управления удаленными объектами в SCADA-системах: автоматическое и инициируемое оператором системы. Процесс управления в современных SCADA-системах имеет следующие особенности: 1) процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера); 2) процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления или даже катастрофическим последствиям; 3) оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая при нормальных условиях только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности; 4) активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.); 5) действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).