SCADA

Основные требования к SCADA-системам и их возможности (Лекция)

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Основные требования к SCADA-системам

2. Основные возможности современных SCADA-пакетов

3. Тенденции развития аппаратных и программных средств SCADA-систем

4. Диспетчерские пункты управления

5. Операционные системы

6. Прикладное программное обеспечение

1. Основные требования к SCADA-системам

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

1) надежность системы;

2) безопасность управления;

3) открытость, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами;

4) точность обработки и представления данных, создание богатых возможностей для реализации графического интерфейса;

5) простота расширения системы;

6) использование новых технологий.

7) Требования безопасности и надежности управления в SCADA-системах включают:

8) никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

9) никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

10) все операции по управлению должны быть интуитивно- понятными и удобными для оператора (диспетчера).

2. Основные возможности современных SCADA-пакетов

Исходя из требований, которые предъявляются к SCADA-системам, большинству современных пакетов присущи следующие основные возможности:

1) Автоматизированная разработка, позволяющая создавать ПО системы автоматизации без реального программирования.

2) Средства сбора и хранения первичной информации от устройств нижнего уровня.

3) Средства обработки первичной информации.

4) Средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях.

5) Средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных).

6) Средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.п.

3. Тенденции развития аппаратных и программных средств SCADA-систем

3.1. Общие тенденции

Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие всех 3-х основные структурных компонент систем диспетчерского управления и сбора данных - RTU, MTU и CS, что позволило значительно увеличить их возможности; так, число контролируемых удаленных точек в современной SCADA-системе может достигать 100 000 и более. На настоящий момент значение данного параметра практически не имеет ограничений.

Основная тенденция развития технических средств (аппаратного и программного обеспечения) SCADA - миграция в сторону полностью открытых систем. Открытая архитектура позволяет независимо выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате - расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение стоимости SCADA-систем.

3.2. Удаленные терминалы

Главная тенденция развития удаленных терминалов (RTU) - увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы строятся на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами верхнего уровня.

Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Для индустриальных и транспортных систем существует два конкурирующих направления в технике RTU - промышленные компьютеры и программируемые логические контроллеры (в русском переводе часто встречается термин «промышленные контроллеры») - PLC.

Промышленные компьютеры представляют собой, как правило, программно-совместимые с обычными коммерческими персональными компьютерами машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации - буквально для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.п. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, т.к. изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров.

В качестве операционной системы в промышленных РС, работающих в качестве удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы. Наиболее известными поставщиками промышленных компьютеров являются американские фирмы Xycom, Octagon Systems и тайваньские Advantech, Axiom.

Промышленные контроллеры (PLC) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессами (объектами) в реальном времени. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода-вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей и контроллеров и осуществляющие управление процессом или объектом путем выдачи управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные PLC часто объединяются в сеть с помощью промышленных (индустриальных) шин (сетей), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими или непосредственно, или через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA-системы - диспетчерском пункте управления (MTU). Исследование рынка PLC показало, что наиболее развитыми архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation, Allen-Bradley, Mitsubishi.

Много материалов и исследований по промышленной автоматизации посвящено конкуренции двух направлений - РС и PLC; каждый из авторов приводит большое количество доводов «за» и «против» по каждому направлению. Тем не менее, можно выделить основную тенденцию: там, где требуется повышенная надежность и управление в жестком реальном времени, применяются PLC. В первую очередь это касается применений в системах жизнеобеспечения (например, водоснабжение, электроснабжение), транспортных системах, энергетических и промышленных предприятиях, представляющих повышенную экологическую опасность. Индустриальные РС применяются преимущественно в менее критичных областях.

3.3. Каналы связи

Каналы связи для современных диспетчерских систем отличаются большим разнообразием. Выбор конкретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния между диспетчерским пунктом (MTU) и RTU, числа контролируемых точек, требований по пропускной способности и надежности канала, наличия доступных коммерческих линий связи.

Тенденцией развития CS как структурного компонента SCADA-систем можно считать использование не только выделенных каналов связи, но также и корпоративных компьютерных сетей и специализированных промышленных сетей (индустриальных шин). В современных промышленных, энергетических и транспортных системах большую популярность завоевали промышленные сети - специализированные быстродействующие каналы связи, позволяющие эффективно решать задачу надежности и помехоустойчивости соединений на разных иерархических уровнях автоматизации.

4. Диспетчерские пункты управления

Главной тенденцией развития MTU является переход большинства разработчиков SCADA-систем на архитектуру «клиент-сервер», состоящую из 4-х функциональных компонент:

- User (Operator) Interface (интерфейс пользователя/оператора) - исключительно важная составляющая систем SCADA. Для нее характерны:

а) стандартизация интерфейса пользователя вокруг нескольких платформ;

б) все более возрастающее влияние Widows;

в) использование стандартного графического интерфейса пользователя (GUI);

г) технология объектно-ориентированного программирования;

д) стандартные средства разработки приложений, наиболее популярные среди которых, - Visual Basic for Applications (VBA), Visual C++;

е) появление вариантов программного обеспечения класса SCADA/HMI для широкого спектра задач. Объектная независимость позволяет интерфейсу пользователя представлять виртуальные объекты, созданные другими системами. Результат - расширение возможностей по оптимизации HMI-интерфейса.

- Data Management (управление данными) - отход от узкоспециализированных баз данных в сторону поддержки большинства корпоративных реляционных баз данных (Microsoft SQL, Oracle). Эта независимость данных изолирует функции доступа и управления данными от целевых задач SCADA, что позволяет легко разрабатывать дополнительные приложения по анализу и управлению данными.

- Networking & Services (сети и службы) - переход к использованию стандартных сетевых технологий и протоколов. Службы сетевого управления, защиты и управления доступом, передачи почтовых сообщений, сканирования доступных ресурсов могут выполняться независимо от кода целевой программы SCADA.

- Real-Time Servises (службы реального времени) - решают задачи реального и квазиреального времени. Данные службы управляют обменом информацией с RTU, осуществляют управление базой данных реального времени, оповещение о событиях, выполняют действия по управлению системой, передачу информации о событиях на интерфейс оператора.

5. Операционные системы

Рынок однозначно сделал выбор в пользу операционной системы Windows. Решающими для быстрого роста популярности Windows стала ее открытая архитектура и эффективные средства разработки приложений, что позволило многочисленным фирмам-разработчикам создавать программные продукты для решения широкого спектра задач.

Рост применения Windows в АСУ обусловлен в значительной степени появлением ряда программных продуктов, которые являются расширениями Windows для реального времени (например, RTX).

Следует отметить, что в SCADA-системах требование жесткого реального времени (т.е. способность отклика/обработки событий в четко определенные, гарантированные интервалы времени) относится, как правило, только к удаленным терминалам; в диспетчерских пунктах (MTU) происходит обработка/управление событиями (процессами, объектами) в режиме «мягкого» (квази-) реального времени.

6. Прикладное программное обеспечение

Ориентация на открытые архитектуры при построении систем диспетчерского управления и сбора данных позволяет разработчикам этих систем сконцентрироваться непосредственно на целевой задаче SCADA - сбор и обработка данных, мониторинг, анализ событий, управление, реализация HMI-интерфейса.

В последнее время на рынке появилось большое количество программных продуктов класса SCADA/HMI, позволяющих решать специфические задачи по управлению технологическими процессами, выходящие за рамки целевой задачи SCADA, такие как задачи автоматизации для дискретного производства, отдельных производственных процессов, автоматизации с использованием новейших информационных технологий и др.

Наибольших успехов в этом направлении добились компании Intellution и Wonderware.


	SCADA Основные требования к SCADA-системам и их возможности (Лекция) ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Основные требования к SCADA-системам 2. Основные возможности современных SCADA-пакетов 3. Тенденции развития аппаратных и программных средств SCADA-систем 4. Диспетчерские пункты управления 5. Операционные системы 6. Прикладное программное обеспечение 1. Основные требования к SCADA-системам К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования: 1) надежность системы; 2) безопасность управления; 3) открытость, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами; 4) точность обработки и представления данных, создание богатых возможностей для реализации графического интерфейса; 5) простота расширения системы; 6) использование новых технологий. 7) Требования безопасности и надежности управления в SCADA-системах включают: 8) никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; 9) никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; 10) все операции по управлению должны быть интуитивно- понятными и удобными для оператора (диспетчера). 2. Основные возможности современных SCADA-пакетов Исходя из требований, которые предъявляются к SCADA-системам, большинству современных пакетов присущи следующие основные возможности: 1) Автоматизированная разработка, позволяющая создавать ПО системы автоматизации без реального программирования. 2) Средства сбора и хранения первичной информации от устройств нижнего уровня. 3) Средства обработки первичной информации. 4) Средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях. 5) Средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных). 6) Средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.п. 3. Тенденции развития аппаратных и программных средств SCADA-систем 3.1. Общие тенденции Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие всех 3-х основные структурных компонент систем диспетчерского управления и сбора данных - RTU, MTU и CS, что позволило значительно увеличить их возможности; так, число контролируемых удаленных точек в современной SCADA-системе может достигать 100 000 и более. На настоящий момент значение данного параметра практически не имеет ограничений. Основная тенденция развития технических средств (аппаратного и программного обеспечения) SCADA - миграция в сторону полностью открытых систем. Открытая архитектура позволяет независимо выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате - расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение стоимости SCADA-систем. 3.2. Удаленные терминалы Главная тенденция развития удаленных терминалов (RTU) - увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы строятся на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами верхнего уровня. Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Для индустриальных и транспортных систем существует два конкурирующих направления в технике RTU - промышленные компьютеры и программируемые логические контроллеры (в русском переводе часто встречается термин «промышленные контроллеры») - PLC. Промышленные компьютеры представляют собой, как правило, программно-совместимые с обычными коммерческими персональными компьютерами машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации - буквально для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.п. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, т.к. изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве операционной системы в промышленных РС, работающих в качестве удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы. Наиболее известными поставщиками промышленных компьютеров являются американские фирмы Xycom, Octagon Systems и тайваньские Advantech, Axiom. Промышленные контроллеры (PLC) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессами (объектами) в реальном времени. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода-вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей и контроллеров и осуществляющие управление процессом или объектом путем выдачи управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные PLC часто объединяются в сеть с помощью промышленных (индустриальных) шин (сетей), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими или непосредственно, или через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA-системы - диспетчерском пункте управления (MTU). Исследование рынка PLC показало, что наиболее развитыми архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation, Allen-Bradley, Mitsubishi. Много материалов и исследований по промышленной автоматизации посвящено конкуренции двух направлений - РС и PLC; каждый из авторов приводит большое количество доводов «за» и «против» по каждому направлению. Тем не менее, можно выделить основную тенденцию: там, где требуется повышенная надежность и управление в жестком реальном времени, применяются PLC. В первую очередь это касается применений в системах жизнеобеспечения (например, водоснабжение, электроснабжение), транспортных системах, энергетических и промышленных предприятиях, представляющих повышенную экологическую опасность. Индустриальные РС применяются преимущественно в менее критичных областях. 3.3. Каналы связи Каналы связи для современных диспетчерских систем отличаются большим разнообразием. Выбор конкретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния между диспетчерским пунктом (MTU) и RTU, числа контролируемых точек, требований по пропускной способности и надежности канала, наличия доступных коммерческих линий связи. Тенденцией развития CS как структурного компонента SCADA-систем можно считать использование не только выделенных каналов связи, но также и корпоративных компьютерных сетей и специализированных промышленных сетей (индустриальных шин). В современных промышленных, энергетических и транспортных системах большую популярность завоевали промышленные сети - специализированные быстродействующие каналы связи, позволяющие эффективно решать задачу надежности и помехоустойчивости соединений на разных иерархических уровнях автоматизации. 4. Диспетчерские пункты управления Главной тенденцией развития MTU является переход большинства разработчиков SCADA-систем на архитектуру «клиент-сервер», состоящую из 4-х функциональных компонент: - User (Operator) Interface (интерфейс пользователя/оператора) - исключительно важная составляющая систем SCADA. Для нее характерны: а) стандартизация интерфейса пользователя вокруг нескольких платформ; б) все более возрастающее влияние Widows; в) использование стандартного графического интерфейса пользователя (GUI); г) технология объектно-ориентированного программирования; д) стандартные средства разработки приложений, наиболее популярные среди которых, - Visual Basic for Applications (VBA), Visual C++; е) появление вариантов программного обеспечения класса SCADA/HMI для широкого спектра задач. Объектная независимость позволяет интерфейсу пользователя представлять виртуальные объекты, созданные другими системами. Результат - расширение возможностей по оптимизации HMI-интерфейса. - Data Management (управление данными) - отход от узкоспециализированных баз данных в сторону поддержки большинства корпоративных реляционных баз данных (Microsoft SQL, Oracle). Эта независимость данных изолирует функции доступа и управления данными от целевых задач SCADA, что позволяет легко разрабатывать дополнительные приложения по анализу и управлению данными. - Networking & Services (сети и службы) - переход к использованию стандартных сетевых технологий и протоколов. Службы сетевого управления, защиты и управления доступом, передачи почтовых сообщений, сканирования доступных ресурсов могут выполняться независимо от кода целевой программы SCADA. - Real-Time Servises (службы реального времени) - решают задачи реального и квазиреального времени. Данные службы управляют обменом информацией с RTU, осуществляют управление базой данных реального времени, оповещение о событиях, выполняют действия по управлению системой, передачу информации о событиях на интерфейс оператора. 5. Операционные системы Рынок однозначно сделал выбор в пользу операционной системы Windows. Решающими для быстрого роста популярности Windows стала ее открытая архитектура и эффективные средства разработки приложений, что позволило многочисленным фирмам-разработчикам создавать программные продукты для решения широкого спектра задач. Рост применения Windows в АСУ обусловлен в значительной степени появлением ряда программных продуктов, которые являются расширениями Windows для реального времени (например, RTX). Следует отметить, что в SCADA-системах требование жесткого реального времени (т.е. способность отклика/обработки событий в четко определенные, гарантированные интервалы времени) относится, как правило, только к удаленным терминалам; в диспетчерских пунктах (MTU) происходит обработка/управление событиями (процессами, объектами) в режиме «мягкого» (квази-) реального времени. 6. Прикладное программное обеспечение Ориентация на открытые архитектуры при построении систем диспетчерского управления и сбора данных позволяет разработчикам этих систем сконцентрироваться непосредственно на целевой задаче SCADA - сбор и обработка данных, мониторинг, анализ событий, управление, реализация HMI-интерфейса. В последнее время на рынке появилось большое количество программных продуктов класса SCADA/HMI, позволяющих решать специфические задачи по управлению технологическими процессами, выходящие за рамки целевой задачи SCADA, такие как задачи автоматизации для дискретного производства, отдельных производственных процессов, автоматизации с использованием новейших информационных технологий и др. Наибольших успехов в этом направлении добились компании Intellution и Wonderware.