SCADA
SCADA-системы
(Тема)
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. Компоненты систем контроля и управления и их назначениеМногие 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: 1) сбор и обработка информации о параметрах
технологического процесса; 2) управление электроприводами и другими
исполнительными механизмами; 3) 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: 1) сбор данных с локальных контроллеров; 2) обработка данных, включая масштабирование;
3) поддержание единого времени в системе; 4) синхронизация работы подсистем; 5) организация архивов по выбранным
параметрам; 6) обмен информацией между локальными
контроллерами и верхним уровнем; 7) работа в автономном режиме при нарушениях
связи с верхним уровнем; 8) 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: 1) автоматизированная разработка, дающая
возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования; 2) средства исполнения прикладных программ; 3) сбор первичной информации от устройств
нижнего уровня; 4) обработка первичной информации; 5) регистрация алармов и исторических данных;
6) хранение информации с возможностью ее
пост-обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным
базам данных); 7) визуализация информации в виде мнемосхем,
графиков и т.п.; 8) 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: 1) технологические языки программирования
контроллеров (пакет программирования алгоритмов контроля и управления); 2) SCADA-программу для оператора; 3) SCADA-программу для инженерного персонала,
реализующую только функции мониторинга; 4) SCADA-программу для диспетчера всего
производства, включающую в себя функции планирования и управления материальными
и энергетическими потоками; 5) комплект программно-логического управления
периодическими и полунепрерывными технологическими процессами; 6) 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: 1) графический векторный редактор с библиотеками
графических примитивов и динамизируемыми изображениями типовых производственных
объектов; 2) серверная станция с СУБД реального времени
и архивом; 3) модуль обработки событий и тревог; 4) генератор отчетов; 5) модуль конфигурирования и реализации
трендов; 6) модуль математических и логических
операций (конфигуратор с библиотекой типовых программных модулей контроля и
управления); 7) модуль статистической обработки данных; 8) модуль взаимосвязи в реальном времени
между клиентом и сервером; 9) 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. |
||