Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)
SCADA-система – это инструментальная программа, обеспечивающая создание программного обеспечения для автоматизации контроля и управления технологическим процессом в режиме реального времени. Основная цель создаваемой с помощью SCADA программы – дать оператору, управляющему технологическим процессом, полную информацию об этом процессе и необходимые средства для воздействия на него.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ SCADA-СИСТЕМЫ:
- Сбор данных от датчиков и представление их оператору в удобном для него виде, включая графики изменения параметров во времени;
- Дистанционное управление исполнительными механизмами;
- Ввод заданий алгоритмам автоматического управления;
- Реализация алгоритмов автоматического контроля и управления (чаще эти задачи возлагаются на контроллеры, но SCADA-системы тоже способны их решать);
- Распознавание аварийных ситуаций и информирование оператора о состоянии процесса;
- Формирование отчетности о ходе процесса и выработке продукции.
От надежности, быстродействия и эргономичности SCADA-системы зависит не только эффективность управления технологическим процессом, но и его безопасность.
КАКИЕ КОМПОНЕНТЫ SCADA НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫ В РАБОТЕ И ПОЧЕМУ?
Специалисты отдела АСУТП промышленного предприятия по изготовлению соды утверждают, что в основном используют такие компоненты, как мониторинг и управление, архивирование технологических параметров, сообщений, подсистему формирования отчетов.
Мониторинг и управление, собственно, то, для чего и устанавливается система управления. Архивы параметров, сообщений и отчеты необходимы для оценки и анализа ведения технологического процесса, действий оператора и т.д. Также для них важен один из базовых инструментов SCADA – разграничение прав доступа к управлению по уровням (оператор, технолог, инженер АСУТП).
В связи с тенденцией к интеграции систем управления технологическими процессами и систем управления предприятием все чаще возникает необходимость использования SCADA в качестве источника данных для вышестоящих систем. Некоторые SCADA могут выступать и как сервер консолидации всех технологических данных, и как сервер генерации отчетов на базе этих данных.
Если система управления, построена на базе ПЛК одного производителя (к примеру, Siemens SIMATIC), то обмен данными между контроллерами и SCADA происходит с помощью встроенных драйверов протоколов связи. Некоторые независимые от производителей оборудования SCADA предлагают набор драйверов ко многим (но не всем) имеющимся на рынке контроллерам и интеллектуальными приборам. Наиболее универсальный способ взаимодействия – это использование драйверов, разработанных в соответствии со стандартом OPC. Такие OPC-серверы могут быть разработаны производителями контроллеров или независимыми разработчиками, а использоваться вместе с любой SCADA- системой. Для эффективной работы с OPC- серверами SCADA должна использовать их напрямую, по технологии «OPC в ядре системы», а не через промежуточные интерфейсы. Некоторые SCADA являются вертикально-интегрированными: в их состав входят системы программирования для свободно-программируемых контроллеров. В них также используются внутренние драйверы для связи с контроллером. Такие SCADA позволяют создать ПТК с использованием оборудования разных производителей.
УРОВНИ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SCADA
Системы технологической автоматизации обычно разделены на 3 уровня: нижний, средний и верхний. Выше них находится уровень управления производством в целом.
Нижний уровень
– это сами датчики и исполнительные механизмы
Средний уровень
– контроллеры. На среднем уровне происходит:
- прием входных данных;
- первичная обработка данных;
- автоматическое формирование и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
Верхний уровень – это и есть уровень SCADA. На этом уровне происходит:
- сбор, обработка и хранение информации, полученной на среднем уровне;
- визуализация текущей и архивной информации в удобном оператору виде (мнемосхемы, графики, тренды, журналы сообщений);
- ввод команд оператора;
- формирование отчетности о результатах технологического процесса;
- обмен информацией с верхним уровнем.
УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЕМ
Управление предприятием производится на двух уровнях:
MES (Manufacturing Execution Systems) – система управления производством продукции в реальном времени. Этот уровень служит для планирования производственных заданий для технологических процессов, построения сводных отчетов, глубокого анализа процесса (например, прогнозирование, построение энергетического и материально¬го баланса и др.). Для этих целей также может быть использован инструментарий SCADA.
ERP (Enterprise Resource Planning) – система автоматизированного управления административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия. На этом уровне используются другие специализированные системы, например, SAP R3.
ФУНКЦИИ SCADA
■ Мнемосхемы
Мнемосхема – это графическое изображение (с помощью встроенного в SCADA графического редактора) технологической схемы с визуализацией значений датчиков, состояния исполнительных механизмов и др. параметров. Для визуализации используется не только отображение значений в виде цифр и надписей, но и изменение визуальных свойств отображаемых графических объектов. Например, в емкости изменяется уровень жидкости, а ее цвет изменяется в зависимости от температуры (динамизация). Исполнительные механизмы могут не просто показывать свое состояние каким-то графическим признаком (например, цветом), но и наглядно показывать свою работу – например, вращением лопастей насоса, движением ленты конвейера и т.п. (анимация).
■ Архивы
Получаемые от контроллеров данные SCADA складывает в архивы. Предварительно данные могут быть обработаны (отфильтрованы, усреднены, сжаты и т.п.). Часто используется не регулярная запись, а запись по изменению с использованием порога чувствительности («мертвой зоны»). Длительность хранения настраивается в SCADA индивидуально для каждого параметра и может составлять до нескольких лет.
■ Тренды
Тренд – это графическое отображение изменения параметра во времени. Тренды в SCADA- системах могут показывать изменение параметра за всю длительность его хранения в архиве. Оператору предоставляется возможность изменять масштаб, как времени, так и самого параметра. В развитых системах в тренд встроены различные инструменты анализа графика, сравнения его с уставкой или другим параметром, сглаживание или фильтрация, отметки на графике событий (например, нарушение границ) или закладок для памяти и многое другое.
■ Таблицы
Зачастую технологу удобнее просматривать архивы не в графическом виде, а в виде таблиц. Обычно эти таблицы можно не только просматривать, но и экспортировать в другие системы.
■ Графики
Обычно SCADA позволяют смотреть и зависимость одних параметров от других, тоже во времени. Хотя это функция и менее востребована технологами, чем тренды.
■ Гистограммы и диаграммы
Другим распространенным способом представления параметров являются гистрограммы (столбиковые диаграммы).
■
Сообщения
Сообщения – это текстовые строки, которые информируют оператора о событиях на объекте в той последовательности, в которой эти события происходят. Они всплывают на экране или отображаются в специально выделенной для этого зоне.
■
Журналы сообщений
Журналы сообщений служат для отображения списков сообщений в том порядке, как они появлялись и были сохранены в архив. Как правило, используются разные экземпляры журналов для разных зон процесса, разных категорий сообщений, разных приоритетов.
■ Контроль прав доступа
Для того, чтобы оператор мог совершить те или иные действия, ему должны быть администратором предоставлены соответствующие права – например, право управлять исполнительным механизмом, или право изменить задание регулятору. В начале смены оператор регистрируется в системе, и она предоставляет ему выполнять только те действия, которые ему разрешены администратором.
■Журнал действий оператора
Управление технологическим процессом очень ответственная задача, поэтому все действия оператора записываются для контроля в специальный журнал, который может быть проанализирован в случае нештатных ситуаций.
■ Формирование отчета
Удобная среда разработки отчетов позволяет легко и быстро подготовить отформатированные и насыщенные информацией отчеты.
ХАРАКТЕРИСТИКИ SCADA-СИСТЕМЫ
- Совместимость с операционными системами;
- Полнофункциональность;
- Открытость;
- Масштабируемость;
- Поддержка промышленных протоколов (собственная драйверная подсистема);
- Совместимость со стандартом OPC (DA, HDA, UA);
- Поддержка доступа через Internet;
- Поддержка баз данных;
- Встроенные языки программирования;
- Средства защиты и надежность;
- Интеграция в системы управления;
- Техническая поддержка;
- Простота разработки и развития;
- Простота обслуживания;
- Стоимость.
ЗАРУБЕЖНЫЕ SCADA-СИСТЕМЫ
Наиболее популярные в России следующие зарубежные SCADA:
– WinCC (Siemens, Германия);
– InTouch (Wonderware, США);
– RSView32 (Rockwell Automation, США);
– Genesis64 (Iconics, США);
– Vijeo Citect (Schneider Electric, Франция).
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ SCADA-СИСТЕМЫ
Наиболее популярные отечественные модели SCADA:
– MasterSCADA (ИнСАТ, Москва);
– TRACE MODE (AdAstra, Москва);
– Круг2000 (Круг, Пенза).
В отличие от большинства западных SCADA все российские содержат встроенные средства программирования контроллеров с использованием языков стандарта МЭК61131-3, в том числе языка функциональных блоков. Причем, если сама SCADA рассчитана на работу в среде Windows на PC-совместимых компьютерах, то исполнительная система для контроллеров может работать и на Logix других платформах, например, Linux на процессоре с архитектурой ARM.
Стандарт OPC поддерживают все перечисленные системы, однако в системе «Trace Mode» упор делается на использование собственных драйверов, а MasterSCADA, хоть и поддерживает использование драйверов, но основывается на технологии «OPC в ядре системы» и предлагает отдельный инструментальный пакет для разработки OPC-серверов.
Сравнительная характеристика зарубежных и отечественных SCADA
Все современные SCADA, как отечественные, так и зарубежные, имеют полный функционал для этого класса программ, поэтому их сравнение по перечню функций в последние годы потеряло смысл. Основное преимущество российских SCADA – это их изначальная нацеленность на российский рынок (русскоязычная, а не переводная документация, техническая поддержка, уровень цен). Можно сделать вывод, что для каждого предприятия или даже применения желательно сделать сравнение нескольких SCADA, как по цене, так и по возможностям. Практически все SCADA имеют пробную версию, которая позволяет проверить ее пригодность для решаемой задачи.
Редакция «КИПинфо»
Электронный журнал “КИПинфо” №17 2013
Популярные товары
В статье рассматриваются наиболее распространенные SCADA-системы, описываются их характеристики, также производится сравнение по некоторым показателям .
ООО “ИНЭКО-А”, г. Москва
ОАО “ГИПРОГАЗцентр”, г. Нижний Новгород
Газовая отрасль имеет в своем составе огромное количество технологических объектов, которые различаются как техническими, так и функциональными характеристиками. Системы управления для них разрабатываются очень многими фирмами, которые используют различные SCADA-системы.
Используя данные центрального проектного института ГИПРОГАЗцентра (г. Нижний Новгород) и более 36-летний опыт работы автора по разработке и внедрению различных систем управления (в том числе 16 лет в качестве директора ООО “ИНЭКО-А”, которое является генеральным подрядчиком по разработке систем управления, реконструкции технологического оборудования и КИП, монтажу вычислительного комплекса, сдаче объекта в промышленную эксплуатацию), рассмотрим некоторые SCADA-системы и их характеристики.
Напомним, что для обеспечения человеко-машинного интерфейса между оператором и системой управления в компьютерах установлено прикладное обеспечение типа SCADA.
Современные SCADA-системы представляют собой хорошо согласованные по функциям и интерфейсам программные продукты. В сетевых системах средствами SCADA реализуются станции различного функционального назначения: серверы, станции-клиенты, станции наблюдения (мониторинга), в основном, для руководящих работников, станции архивирования данных и др.
Функциональный базовый профиль SCADA-систем сформировался еще во время первых управляющих вычислительных машин. Со временем, с развитием вычислительной техники, функциональные возможности систем стали расширяться (появились цветные дисплеи, средства анимации, голосовой сигнализации и т.д.). С появлением концепции открытых систем программное обеспечение SCADA-систем для операторских станций становится самостоятельным продуктом, свободно взаимодействующим с программно-техническими средствами различных производителей. Такая специализация производителей программного продукта также способствовала расширению функций SCADA-систем. Появилась функция сетевой поддержки, начались разработки средств связи SCADA-систем с контроллерами различных производителей. Большое количество контроллеров с разными программно-аппаратными платформами заставило разработчиков включать в состав SCADA-систем большое количество готовых драйверов и инструментарий для разработки новых драйверов.
В силу предъявляемых требований к SCADA-системам перечень их функциональных возможностей определен и реализован почти во всех пакетах (отличия возможны в технических особенностях реализации и в цене):
Сбор первичной информации от устройств нижнего уровня (приборы и т.д.);
Обработка первичной информации;
Визуализация параметров технологического процесса и оборудования с помощью мнемосхем, графиков, таблиц и т.д. Вызов необходимых данных или участков технологических линий на экране дисплея;
Дистанционное управление технологическими процессами и объектами;
Сообщение персоналу о предаварийных и аварийных ситуациях (световая и звуковая сигнализации). Регистрация внештатных ситуаций и накопление архивных данных (возможно за любой период и даже до одного года);
Предоставление текущих и накопленных (архивных) данных в виде графиков (трендов);
Хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуются через интерфейсы к наиболее приоритетным базам данных);
Автоматизированная разработка, дающая возможность создания программного обеспечения системы автоматизации без реального программирования;
Исполнение прикладных программ, создание новых алгоритмов регулирования;
Изменение всех функций SCADA-системы (добавление или удаление датчиков, исполнительных механизмов и изменение их характеристик, изменение параметров настройки технологических переменных, добавление новых модулей в контроллеры или новых контроллеров, корректировка и создание любых мнемосхем, трендов, документации);
Передача (и прием) необходимых данных в систему верхнего уровня;
Обеспечение диагностических процедур и их протоколирование и автоматическое сообщение о них оператору;
Обеспечение надежности ведения технологических процессов и всей системы (полная поддержка “горячего” резервирования, автоматический переход на резерв и восстановление, настройка резервирования должна осуществляться без дополнительного программирования, автоматическая синхронизация данных трендов после восстановления основного сервера);
Защита от несанкционированного доступа (парольная защита для конкретного участка, обеспечивающего более миллиона комбинаций; определение участков и уровней для каждого пользователя с учетом их приоритетности).
С ростом мощности компьютеров SCADA-системы становятся масштабируемыми, т.е. могут поддерживать от нескольких сотен до сотен тысяч входов/выходов, а также управлять сложными производствами в целом. Для уровня управления производством стали появляться специальные программные продукты. В них важную роль играет функция поддержки принятия решения перед перераспределением материальных потоков (на больших производствах, например, нефтехимических или процесса Клауса получения серы на Астраханском или Оренбургском ГПЗ) путем оценки результатов средствами моделирования.
Функции непосредственного управления технологическими процессами (автоматическое регулирование и логическое управление) реализуются в пакетах прикладных программ для РС - совместимых контроллеров и для компьютерной реализации функций непосредственного управления.
При оценке возможности использования SCADA-системы при создании АСУ ТП надо учитывать следующие основные моменты:
Объем данными (производительность, поддержка стандартных сетевых протоколов и форматов данных);
Удобство в работе (стандартизация пользовательского интерфейса, наличие и удобство языка описания данных и процессов);
Описание пакета и эксплуатационных инструкций на русском языке;
Уровень технической поддержки (учитывая доступность);
Число инсталляции за рубежом и в России (особенно применимость в промышленных АСУ);
Цена программного продукта.
Сегодня на российском рынке наиболее распространенными являются следующие SCADA-системы:
1_In Touch (Wonderware, США);
2_FIX (Intellution, США);
3_Genesis (Iconics Co, США);
4_Citect (CI Technology, Австралия);
5_Factory Link (United States Data Co, США);
6_ReaIFlex (BJ Software Systems, США);
7_Sitex (Jade Software, Великобритания);
8_WinCC (Siemens, Германия);
9_Trace Mode (AdAstrA, Россия);
10_RTWin (SWD Real Time Systems, Россия);
11_Cimplicity (GE Fanuc, США);
12_RSView (Rockwell Automation, США);
13_САРГОН (НВТ - Автоматика, Россия);
14_MIK$Sys (МИФИ, Россия).
Дополнительно по данным проектного института ГИПРОГАЗцентр (г. Нижний Новгород) можно добавить системы, применяемые в газовой отрасли на уровне главного диспетчерского пункта:
15_Monitor Pro (Schneider - Electric, Германия);
16_Operate IT (ABB Automation Systems GmbH, Германия);
17_GAMOS (PS/AG, Германия).
При таком многообразии SCADA-систем на нашем рынке возникает проблема о выборе какой-то одной из них. Этот выбор представляет собой довольно сложную задачу, аналогичную задаче по принятию решения в условиях многокритериальности. Слишком много показателей, критериев и мало количественных оценок для принятия однозначного решения.
Рассмотрим примерный перечень критериев оценки SCADA-систем с позиций пользователя, которые можно условно разделить на три группы показателей: технические, эксплуатационные и экономические характеристики.
Рассмотрим основные программно-аппаратные платформы, на которых реализуется SCADA-система.
Для выбора компьютера необходимо знать его платформу (разработанная в одной операционной среде прикладная программа может быть выполнена в любой другой, которую поддерживает выбранный SCADA-пакет), операционную систему, частоту процессора, требуемые объемы оперативной и дисковой памяти. К тому же надо знать информационную мощность отдельной станции - максимальное число вводов/выводов, скорость ввода/вывода, масштабируемость системы и т.д.
Раньше основу программной платформы составляла операционная система реального времени QNX. Сейчас большинство SCADA-систем реализовано на платформах MS Windows. Такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые человеко-машинные интерфейсные средства. Учитывая продолжающееся усиление позиций Microsoft на рынке операционных систем, следует отметить, что даже разработчики многоплатформенных SCADA-систем приоритетным стали считать дальнейшее развитие своих SCADA-систем на платформе Windows. Некоторые фирмы, до сих пор поддерживающие SCADA-системы на базе операционных систем реального времени, начали менять ориентацию на системы с платформой Windows.
Рассмотрим требования к компьютеру со стороны SCADA-систем. Они могут быть, например, следующие: Pentium 2/3 c частотой 300 - 800 МГц, оперативной памятью 64/128 мб. и свободным дисковым пространством 150 - 300 мб. Для iFIX требуется больший объем оперативной памяти - min 96 мб., лучше 128 мб. Для систем, рассчитанных на большее количество точек ввода/вывода, может потребоваться более “серьезная” конфигурация.
Средства сетевой поддержки
Современные системы автоматизации отличаются высокой степенью интеграции (мне это особенно известно за 30 лет работы по разработке и внедрению систем управления в газовой отрасли. А на объектах газовой отрасли эти системы на любой момент времени были самые передовые - правда, сначала закупались по импорту): в них могут быть задействованы исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и даже самостоятельные объекты управления. Для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ArcNet, Ethernet и др.) с использованием стандартных протоколов (NetBIOS , TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (Profibus, CANbus, LON, Modbus и др.). Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все рассматриваемые SCADA-системы, но набор поддерживаемых сетевых интерфейсов разный.
Поддерживаемые базы данных
Для функционирования баз данных (сбор, оперативный анализ, хранение, сжатие, пересылка и т.д.) используют ANSI SQL синтаксис, который является независимым от типа базы. Таким образом, приложения виртуально изолированы, что позволяет менять базу данных без серьезных изменений самой прикладной задачи, создавать независимые программы для анализа информации, использовать наработанное программное обеспечение, ориентированное на обработку данных.
Встроенные командные языки
Большинство SCADA-систем имеет встроенные языки программирования (языки высокого уровня), позволяющие разрабатывать сложные приложения: генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной; с выполнением некоторого логического условия; с нажатием комбинаций клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна.
Первые версии SCADA-систем либо не имели подобных языков, либо эти языки реализовывали небогатый набор функций. В современных версиях SCADA-систем функциональные возможности можно разделить на две ориентации:
Для технологов (или операторов);
Для системного интегратора. В этом случае чаще всего используются VBasic-подобные языки.
Полнота использования возможностей встроенных языков требует соответствующего уровня квалификации разработчика.
Графические возможности
Для визуализации в SCADA используются различные графические пользовательские интерфейсы, в каждом из которых существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять над выбранными простыми (библиотеки стандартных графических символов: линии, прямоугольники, текстовый объем и др.) и сложными объектами (библиотеке сложных графических объектов) широкий набор операций, а также быстро обновлять изображения на экране, используя средства анимации (редактор динамики).
Открытость систем
Программная система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключать к ней “внешние”, независимо разработанные компоненты, адаптировать пакет под конкретные нужды с минимальными затратами.
Некоторые фирмы-разработчики систем управления создают собственные (не предусмотренные выбранной SCADA-системой) программные модули и включают их в создаваемую систему управления. Поэтому если система открытая, то это означает доступность спецификаций системных вызовов (в смысле SCADA-системы), реализующий определенный системный сервис (доступ к графическим функциям, функциям работы с базами данных и др.).
Сегодня SCADA-системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, т.к. имеют в своем составе большой набор драйверов или серверов ввода/вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов (разрабатываются с использованием стандартных языков программирования) новых устройств нижнего уровня. Но этого бывает недостаточно.
В SCADA-системах основным механизмом, используемым для связи с внешним миром, оставался стандартный механизм DDE (Dynamic Data Exchange) и обмен по внутреннему протоколу (известному только фирме разработчику). Но из-за своих ограничений по производительности и надежности он давал сбои при обмене информацией в реальном масштабе времени. Поэтому компания Microsoft взамен механизма DDE предложила более эффективное и главное надежное средство передачи данных между процессами - механизм OLE (Object Linking and Embedding - включение и встраивание объектов). Механизм OLE поддерживается в RS View, iFix, In Touch, Factory Link и др. На базе OLE появился уже новый стандарт OPC (OLE for Process OLE) ориентированный на рынок систем управления в промышленности.
Многие компании (как бы тресты фирмы в структуре АСУ ТП) занимаются разработкой драйверов, ActiveX - объектов и другого программного обеспечения для SCADA-систем. Это тоже надо учитывать при выборе SCADA-системы, поскольку это расширяет область применения системы непрофессиональными программистами.
Для реализации вышеуказанных технологий разработаны специальные библиотеки и инструментальные системы для OC Windows. Использование же только специфичных стандартов для этого не только достаточно трудоемко, но и требует высокого профессионализма программистов и затруднительно для не Windows платформ.
Один из существенных недостатков SCADA-систем на платформе Windows 3.хх/95 по сравнению со SCADA-системами на платформах ОСРВ является отсутствие поддержки жесткого реального времени. Ситуация изменилась с появлением Windows NT. Ряд фирм предприняли попытки превратить Windows NT в операционную систему жесткого реального времени, например, фирма Ventur Com (подсистема RTX - Real Time Extension). Ее набор прикладных интерфейсов программирования RTX-4.1 (Ventur Com) в iFix позволяет:
Осуществлять полный контроль над задачами реального времени;
Применять стандартные средства обмена данными между задачами;
Использовать фиксированную систему из 128 приоритетов для контроля RTX-задач;
Обращаться к стандартным функциям из Win 32 API.
Эксплутационные характеристики SCADA-cистем
От эксплуатационных характеристик SCADA-системы зависит скорость освоения продукта и разработки прикладных систем, а в конечном итоге сильно отражаются на стоимости составляющих всей системы управления.
Поговорим кратко о некоторых характеристиках. Сначала разработчик системы управления рассматривает качество документации SCADA-системы: полноту, ясность и наглядность описания первичных документов; русификацию и ее уровень (экраны, подсказки, справочная система, всевозможные обозначения и т.д.).
Затем, знакомясь и работая с предложенным предпродажным вариантом системы, обращает внимание на доступность диалога: наглядность представления необходимой информации на экране, удобство использования справочной системы, информативность оперативных подсказок и т.д.
Следующим показателем будет являться уровень сопровождения системы при ее эксплуатации: возможность внесения изменений в банк данных, коррекции экранов без остановки системы, полнота средств диагностики системы при сбоях и отказах, возможности наращивания разнообразных функций системы, трудоемкость при инсталляции системы, ясность и полнота эксплуатационной документации и т.д. Сюда можно отнести и доставку необходимой информации на верхний уровень управления (например, оперативно-производственная служба и диспетчерский пункт на Северо-Ставропольском ПХГ) и обратно.
Последней основной характеристикой будет наличие и качество поддержки SCADA-системы: услуги фирмы-разработчика, обслуживание (в т.ч. консультации, которые необходимо проводить не только с программистами-разработчиками по месту создания системы, но и, иногда, по месту внедрения на объекте), обучение специалистов, условия обновления версий.
Экономические характеристики
Эти характеристики выражаются в стоимости следующих составляющих:
Аппаратной платформы;
Системы (средства разработки и среда исполнения);
Разработки системы;
Освоения системы (обучение пользователей);
Сопровождения (консультации, степени открытости, адаптируемости и смены версий продукта, прочие услуги);
Отталкиваясь от первоначальной цены SCADA-системы приведенной в прайс-листах фирм, можно обсуждать их снижение, используя некоторые факторы:
Выбор фирмы зависит в первую очередь от цены системы. При этом механизм определения цены различен: в In Touch зависит от количества переменных, используемых в разрабатываемой прикладной программе; в Simplicity определяется количеством каналов ввода/вывода, которые должна поддерживать система, и в Factory Link имеет высокую базовую стоимость, но не имеет ограничений по количеству каналов. При оценке стоимости учитываются минимальные и рекомендуемые ресурсы компьютера, необходимые для ее установки. При этом в некоторых системах, например, WinCC число допустимых переменных пропорционально зависит от количества доступного ОЗУ.
Стартовая цена может быть снижена сразу после переговоров с руководством фирмы продавца. Автор в свое время был членом закупочных комиссий (утвержденных министрами газовой промышленности сперва Оруджевым С.Н., а затем Черномырдиным В.С.) по Оренбургскому и Астраханскому комплексам (в части систем управления) и приобретенный опыт позволял находить взаимопонимание с руководителями иностранных фирм скорее, чем с российскими. У нас был прицендент, когда мы хотели закупить у российской фирмы-диллера сразу два SCADA пакета (хотя один пакет мог нам понадобиться только через год) и, естественно, надеялись получить скидку. Мы ее не получили, от услуг фирмы отказались и нашли другую фирму (и даже по более низкой цене). Зная рыночную надежность фирмы (а также качество ее продукции, ее штат, квалификацию ее сотрудников и т.д.), можно снизить стоимость “риска” покупки;
Стоимость разработки прикладных программ с использованием SCADA-системы существенно уменьшается по сравнению с применением традиционного программирования. Стоимость систем исполнения составляет обычно 40 - 60 % от стоимости системы разработки;
Стоимость освоения SCADA-системы относительно невелики (оплата труда достаточно квалифицированных программистов);
Стоимость окупаемости SCADA-системы зависит от количества проектов на базе этой системы, общей стоимости всего проекта и т.д. Ориентировочно реализация 2 - 3-х проектов может окупить приобретение SCADA-системы.
Показатели некоторых SCADA-систем
SCADA-система iFix
SCADA-система iFix (Intellution, США) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000.Система ориентирована для разработки АСУ малых и средних предприятий, т.е. в приложении к газовой промышленности - от уровня КЦ/ГРП до уровня линейно-производственного управления (ЛПУ). Внедрения данной SCADA-системы в ООО “Газпром” так же подтверждает эту информацию (по материалам сайта www.intellution.com).
Градация лицензий по количеству параметров процесса для iFix следующая: 75, 150, 300, 900, не ограничено.
Система поддерживает все современные основные информационные технологии, используемые при построении АСУ ТП (ОРС - для связи с контроллерами и системами сторонних производителей, ODBC - для связи с базами данных). Для создания расширенного архивного хранилища данных уровня предприятия используется программное обеспечение iHistorian, представляющее собой интегрированный с iFix пакет на базе Microsoft SQL Server. Система iFix включают в себя обширную библиотеку графических элементов. Однако библиотека прототипов отсутствует. Таким образом, команды управления и диалоговые окна для них должны конфигурировать вручную. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic for Application.
Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера.
Рассматривая возможность применения SCADA-системы iFix на уровне ДКС, следует отметить, что фирма “Intellution” поставляет интегрированное с iFix программное обеспечение для программирования контроллеров только на базе Windows NT Embedded (встраиваемая ОС Windows NT), Windows СЕ и DOS. Такой подход ограничивает номенклатуру контроллеров линейкой встраиваемых РС (например, Octagon, Fast Well и др.).
SCADA-система Trace Mode
SCADA-система Trace Mode (Adastra, Россия) работает под управлением операционной системы Windows 98/NT 4.0/2000. Система, прежде всего, ориентирована на работу с контроллерами, т.е. на создание АСУ ТП небольших технологических объектов типа ГРП, что подтверждается известными нам применениями Trace Mode.
Градация лицензий по количеству параметров процесса для Trace Mode следующая: 75, 150, 300, 800, не ограничено. Система поддерживает все современные информационные технологии. Для подключения контроллеров и систем сторонних производителей может быть использована ОРС - технология. Для доступа к базам данных используется ODBC. Драйверы собственной разработки предусматривают подключение контроллеров типа Лемикон, Эмикон и др. (в основном российского производства, что к сожалению, снижает надежность). Возможно использование Web-технологии для построения автоматизированных рабочих мест на основе собственного Web-сервера.
Идеология разработки прикладного программного обеспечения Trace Mode оптимизирована для сквозного программирования контроллеров и АРМ, что усложняет разработку АСУ ТП верхнего уровня, где жесткая привязка к определенному типу контроллеров является излишней. Таков подход создает дополнительные трудности при необходимости интеграции данных от разнотипных источников.
SCADA-система WinCC
SCADA-система WinCC (Siemens GmbH, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000. Система ориентирована для разработки АСУ уровня КЦ/КС и уровня ЛПУ (за аналог приняты предложения фирмы по проекту “Голубой поток”).
Градация лицензий по количеству параметров процесса для WinCC следующая: 75, 300, 900, 1500, не ограничено. Система поддерживает все современные основные информационные технологии. Огромное количество опций, предлагаемое фирмой, позволяют решить любые задачи АСУ ТП на уровне ДП ЛПУ, в том числе организацию выделенного сервера архивирования для досрочного хранения данных и решения расчетных задач. В качестве внутреннего языка программирования используется язык, совместимый с ANSI C. Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера.
Система является представителем линейки продукта SIMATIC, что обеспечивает высокий уровень интеграции с программным обеспечением для программирования контроллеров SIMATIC серии S5 и S7. Это является несомненным преимуществом при создании АСУ ТП ДКС.
SCADA-система Monitor Pro
SCADA-система Monitor Pro (Schnaider-Electric, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000. Система ориентирована для разработки АСУ средних предприятий с распределенной структурой управления.
Градация лицензий по количеству параметров процесса следующая: 64, 256, 1024, 4096, не ограничено. Система поддерживает все основные современные информационные технологии. Кроме поддержки технологии ODBC, система включает специальные драйверы для работы с базами данных ORALCE, SYBASE и Microsoft SQL Server, позволяющие использовать все особенности “родного” формата данных и команд. В поставку также включается широкий набор функций статистической обработки данных и формирования отчетов. Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера, включая поддержку Pocked PC. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic for Application.
Фирма поставляет программное обеспечение для программирования контроллеров линейки MODICON. Формат алгоритмического обеспечения контроллеров сертифицирован на соответствии стандарта IEC 61131-3, описывающему 5 языков программирования контроллеров. Система поддерживает все 5 языков. Программное обеспечение темно интегрировано со SCADA-системой Monitor Pro. Поддерживается автоматический экспорт базы данных контроллера в базу данных сервера SCADA.
SCADA-система и контроллеры MODICON широко применяются в нефтяной промышленности России (более 3000 инстанций).
SCADA-система OperateIT
SCADA-система OperateIT (ABB Automation Systems GmbH, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000/ХР. Система ориентирована для разработки приложений для ДП распределенных АСУ ТП.
Градация лицензии по количеству параметров процесса следующая: 75, 150, 300, 900, 1500, 5000, не ограничено. Система поддерживает все современные основные информационные технологии. Кроме того, внедрена уникальная технология Aspect Object, позволяющая хранить и автоматически обновлять данные о технологическом оборудовании (тип оборудования, датчика, срок службы, срок с последнего ремонта и т.д.). Система позволяет строить распределенные системы управления на базе технологии “клиент-сервер”. Возможно использование Web-технологий. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic, что в отличие от применения VBA (Visual Basic for Application), позволяет создавать дополнительные функции в виде “натурального кода”. Эта особенность позволяет разрабатывать более быстродействующие приложения, что очень важно для задач, в том числе расчетных, реального времени. Система включает обширную библиотеку графических прототипов, включающих диалоговые окна управления и блокировки. Для организации архивного сервера масштаба предприятия и использования расширенного набора функций статистической обработки данных используется программное обеспечение HistoryIT.
Для связи с контроллерами и системами используется ОРС - технология. Кроме того, такие линейки контроллеров, как Advant, Freelance 2000, RTU, поддерживаются “напрямую”. Фирма поставляет тесно интегрированное с системой OperateIT программное обеспечение ControlIT для программирования контроллеров. Система OperateIT включает в себя лучшие качества системы Maestro NT (на базе которой и была разработана). Система Maestro NT имеет применения на добывающих предприятиях ОАО “Газпром”.
Таким образом, разнообразие опций (а соответственно и функционального наполнения SCADA-системы) позволяет использовать данное программное обеспечение для создания АСУ ТП как на уровне ДП СГПУ, так и на уровне ДП ДКС.
SCADA-система GAMOS
SCADA-система GAMOS (PS/AG, США) работает на платформе Alpha под управлением операционной системы Open VMS. Это Unix-подобная система, что с одной стороны повышает надежность работы системы, с другой существенно удорожает стоимость самой системы и стоимость сопровождения (комплектующие, наличии соответствующих специалистов).
Фирма T-Systems скупившая “Debis”, позиционирует свою SCADA-систему для применения в АСУ уровня КС/ЛПУ/ЦДП (за аналог приняты материалы по проекту “Голубой поток”).
Использование операционной системы Open VMS накладывает определенные ограничения. Например, затрудняется использование “стандартных” офисных приложений (MS Word, MS Excel) для формирования и обработки отчетно-учетной документации. Графический интерфейс также будет иметь некоторые особенности, непривычные для пользователей IBM - совместимых компьютеров с операционной системой семейства Windows.
Главным отличием от вышеперечисленных SCADA-систем (кроме платформы и операционной системы) является наличие в поставке блоков моделирования работы газопровода. Однако, учитывая тот факт, что в случае Северо-Ставропольского подземного хранилища газа (ССПХГ) система газопроводов имеет нелинейную структуру, возможность применения данной системы моделирования для этого объекта не обосновано (или требует дополнительного подтверждения). При анализе нужно учитывать также стоимость работ по адаптации модели к условия работы ССПХГ.
Выводы по показателям SCADA-систем
1) По функциональным принципам все рассмотренные системы в целом похожи.
2) Технология программирования близка к интуитивному восприятию автоматизированного процесса. Имеющее мощное объектно-ориентированное программирование делает эти пакеты легкими в освоении и доступными для широкого круга пользователей.
3) Все системы можно считать в той или иной степени открытыми, обеспечивающими возможность дополнения функциями собственной разработки, имеющими открытый протокол для разработки собственных драйверов, развитую сетевую поддержку, возможность включения ActiveX-объектов и доступность к стандартным базам данных.
4) Построение прикладной системы на основе SCADA-систем резко сокращает набор необходимых знаний в области классического программирования, позволяя концентрировать усилия программистов на разработке прикладных программ.
5) SCADA-системы являются лидерами по поддержанию десяток и сотен драйверов разнообразных фирм.
6) Показатели надежности для систем примерно равны, особенно принимая во внимание, что почти все SCADA-системы работают под управлением системы Windows NT или Windows 2000. Исключением составляет система GAMOS, которая работает на платформе Alpha под управлением операционной системы OpenVMS. У разработчиков SCADA-систем на платформе Windows NT появилась возможность использовать расширение реального времени (RTH) в задачах системы.
7) Следует отметить рост включения SCADA-пакетов в системы комплексной автоматизации производства и на каждом его уровне.
Если рассматривать применение SCADA-системы для полной автоматизации многоуровнего объекта такого, как ССПХГ с числом обрабатываемых параметров не более 20 - 25 тыс., то это вполне реально (системы могут отрабатывать не менее 64 тыс. параметров). Поэтому выбор SCADA-системы для ССПХГ в значительной мере зависит от критериев, не связанных напрямую с техническими требованиями. По мнению специалистов ГИПРОГАЗцентра и отдела КИП АСУ ООО “Кавказтрансгаз” целесообразно применять как можно меньше типов SCADA-систем, т.е. желательно на диспетчерских пунктах применять систему, используемую на газораспределительных пунктах или дожимных компрессорных станциях. Так для диспетчерского пункта может быть использована система iFix (применяемая ООО “ИНЭКО-А” на Хадумском горизонте). Программа iFix уже работает на нескольких объектах ОАО “Газпром” (в частности в Ивановском ЛПУ ООО “Волготрансгаз”).
В.В. Радкевич,
ООО “ИНЭКО-А”, г.Москва,
А.В. Реунов,
ОАО “ГИПРОГАЗцентр”, г.Нижний Новгород,
SCADA -система как инструмент проектирования АСУ ТП
Касьянова Екатерина Николаевна
студентка 2 курса, кафедры «Промышленная автоматика»,
Васильева Наталья Геннадьевна
научный руководитель, ассистент кафедры «Промышленная автоматика»,
филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в г. Кумертау
Современное производство не может обойтись без автоматизации. Системы автоматического управления технологическими процессами (АСУТП) повышают производительность труда, обеспечивают безопасность производства, увеличивают выход продукции, снижают процент брака, экономят ресурсы и позволяют на 10–15 лет продлить срок службы технологического оборудования. Но главное – АСУТП гарантируют качество выпускаемой продукции, а ведь именно оно определяет, насколько конкурентоспособным будет товар на рынке.
В качестве систем получивших наибольшее распространение при разработке АСУ ТП предприятия выступают SCADA-системы. Они являются неотъемлемой частью современных автоматизированных систем управления процессами или как ее еще называют средой визуализации. Система SCADA реализует все основные функции визуализации измеряемой и контролируемой информации, а так же передачи данных и команд системе контроля и управления.
SCADA-система состоит из инструментального и исполнительного комплексов. Инструментальный комплекс предназначен для разработки конкретного программного обеспечения автоматизированных рабочих мест технолога, оператора, диспетчера и т.д. исполнительный комплекс реализует разработанное программное обеспечение в определенной операционной среде.
SCADA-системы представляют следующие основные возможности:
- предлагает кнопки, поворотные регуляторы и другие органы управления обеспечивая возможность управления технологическим процессом;
- предлагает набор различных индикаторов, графиков обеспечивая возможность индикации информации о процессе;
- предоставляет возможность создания различного рода отчетов, архивов;
- предлагает упрощенный язык для создания алгоритмов, что дает возможность создания АСУ ТП технологам, у которых нет опыта программирования на языках высокого уровня;
- предлагает средства для документирования разрабатываемых алгоритмов и технологических процессов;
- драйвера к оборудованию, обеспечивающие ввод, вывод аналоговых и дискретных сигналов;
- сетевые функции, позволяющие проводить обмен данными между вычислительными машинами, подключенными к одной сети, публиковать отчеты в сети или управлять процессом с удаленного компьютера через интернет .
Наверное, нет такой отрасли промышленности в России, в которой не была бы внедрена SCADA – система TRACE MODE. Однако на многих предприятиях по-прежнему вся ответственность за наблюдением параметров технологического процесса, архивирования данных, принятия решений в нештатных ситуациях возлагается на профессионализм и субъективизм лиц принимающих решение. Не исключение является цех нанесения гальванопокрытий на ОАО «КумАПП». Попробуем спроектировать АСУ ТП нанесения гальванического покрытия: анодного оксидирования с помощью SCADA-системы TRACE MODE.
Преимущества АСУ ТП очевидны, однако эти системы весьма недешевы, так что далеко не все предприятия могут позволить себе подобную "роскошь". Как модернизировать производство и не потратить при этом целого состояния? Такая задача стоит перед каждым руководителем. В этой статье будет предложен один из путей ее решения с использованием SCADA-системы TRACE MODE.
Анодное оксидирование – один из основных методов защиты алюминия и его сплавов от коррозии. Наряду с высокими защитными свойствами анодная пленка обладает так же высокими адгезионными свойствами, благодаря чему она является хорошей основой для лакокрасочных покрытий.
Физико-механические свойства анодных покрытий зависят от большого количества технологических параметров: температуры, уровня и рН раствора, кислотности и температуры электролита, плотности тока, длительности технологического процесса.
Технологический процесс анодного оксидирования состоит из следующих операций:
- травления;
- промывки в теплой воде;
- осветления;
- анодирования;
- промывки в холодной проточной воде;
- промывке в горячей воде;
- наполнения анодной пленки.
Все современные SCADA – системы позволяют создавать графический интерфейс, что облегчает диалог оператора с машиной. Среди SCADA – систем распространена векторная графика, что позволяет создавать отдельные графические объекты, производить различные операции над ними, обеспечить динамичность изображения за счет масштабирования, перемещения, вращения, изменения цвета объектов, образующих изображение.
Графическая среда TRACE MODE предлагает инструменты для создания таких графических примитивов, как линия, ломаные, кривые, прямоугольники, плоские фигуры, объёмные фигуры, а так же различные кнопки, тренды, выключатели, приборы для отображения значения величины, регулятор в виде ползунка, диаграммы. Ряд графических примитивов дает возможность настроить свойства динамического изображения, что позволяет сделать изображение динамическим (заливка, контур и т.д.). Многие объекты позволяют настроить выполнение того или иного действия при нажатии или отпускании левой клавиши мыши. Многие графические объекты, позволяют изменять цвет заполнения замкнутой фигуры в зависимости от принадлежности параметра к тому или иному диапазону . Результаты использования вышеуказанных инструментов для создания АСУ ТП нанесения гальванопокрытий представлены на рисунке1.
Рисунок 1- Вид графического экрана АРМ оператора
Сочетание динамического и статического изображения позволяет получить на экране интуитивно понятное изображение технологического процесса. Мнемосхема изображенная на рисунке 2 содержит статическое изображение и динамическое.
Статическое изображение представлено трубами, насосами, емкостями. Динамическое изображение представлено разрезом емкости, который позволяет показать уровень жидкости, находящейся в нем.
Рисунок 2 – Мнемосхема ванны промывки
В качестве объекта выбрана ванна промывки, так как эта операция
промывки, так как повторяется не менее четырех раз в течение технологического процесса, к тому же величина уровня в ванне может изменять в результате испарения (промывка в теплой воде), выноса жидкости на поверхности деталей.
Динамику изменения технологического параметра во времени удобно представить в виде зависимости изменения данного параметра во времени. По этой причине в SCADA-системах нашли широкое распространение объекты, которые позволяют представить изменение определённого параметра во времени. Такие объекты называют трендами. Тренд реального времени отображает в реальном времени изменение параметра. Как правило, тренды содержат полосу прокрутки, что позволяет вернуться «назад», и посмотреть что происходило ранее на производстве или вернуться в «текущее время». Тренд для отображения уровня жидкости представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Тренд, отображающий уровень жидкости.
На многих производствах необходимо контролировать тот или иной параметр для исключения аварий, выхода из строя оборудования. SCADA- системы позволяют контролировать значения параметров производственного процесса. Однако только контроля параметров не достаточно, необходимо во многих случаях сообщать оператору об аварийной ситуации, близости значения параметра к аварийному значению, вести учет всех имевших место аварийных ситуаций. Все современные SCADA- системы, в том числе и TRACE MODE позволяют работать с тревогами и событиями.
Система позволяет настроить аналоговые тревоги, задавая различные диапазоны значений контролируемого параметра. В рассматриваемой системе при достижении жидкости уровня АВУ включается аварийная сигнализация. Для ее имитации применен видеоклип lamp_alarm_red0.
К тому же TRACE MODE позволяет установить соответствие между событием или тревогой и категорией. Категория отображает степень важности для пользователя сообщения. Вариант настройки категорий приведен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Вариант настройки категорий словаря сообщений
Тревоги и события могут отражаться с помощью специального объекта – отчета тревог или отчета о состоянии производства . Информация о событии или тревоге может сохраняться в текстовом файле, называемом отчетом тревог (рисунок 5).
Рисунок 5 – Вариант отчета тревог
SCADA- система как инструмент проектирования АСУ ТП обладает следующими преимуществами:
быстрота разработки проекта; легкость освоения;
поддерживаемые средства коммуникации;
наличие функций для сложной обработки данных; степень открытости для разработчика (поддержка COM и ActiveX для подключения программных модулей пользователя, а также OPC, ODBC, OLE DB);
качество технической документации (полнота, ясность изложения, количество ошибок);
наличие режима эмуляции оборудования для отладки;
наличие внутренних графических редакторов, позволяющих отказаться от применения внешних редакторов типа CorelDraw или Photoshop;
поддержка типовых графических форматов файлов;
качество технической поддержки (время реакции на вопросы пользователей, наличие "горячей линии" технической поддержки).
Список литературы:
Ефимов И. П., Солуянов Д. А.SCADA – система Trace Mode. Ульяновск: УлГТУ, 2010г. – 158 с.
Лопатин А. Г., Киреев П. А. Методика разработки систем управления на базе SCADA – системы Trace mode: Учебно-методическое пособие / РХТУ им. Менделеева Д. И., Новомосковский ин-т Новомосковск, 2007. – 112 с.
Пьявченко Т. А. Проектирование АСУ ТП в SCADA – системе. Учебное пособие по техническим дисциплинам «Автоматизированные информационно-управляющие системы» и «Интегрированные системы проектирования и управления». Таганрог: изд-во ТРТУ. 2007.–78 с.
Что должна уметь система SCADA
Не вызывает сомнений, что АСУ ТП в большинстве случаев являются системами организационно-техническими, что означает наличие функций, выполняемых человеком (оператором).
Несколько десятков лет назад эти функции заключались в основном в наблюдении за контрольно-измерительными приборами и непосредственном ручном управлении технологическим процессом.
После того как волны компьютеризации достигли производственного сектора, на рабочих столах операторов стали появляться компьютеры, где взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее название SCADA.
До сих пор нет однозначного ответа на вопрос: нужно ли применять специализированное программное обеспечение класса SCADA? Следует отметить, что даже у тех, кто применяет такое программное обеспечение в своих проектах, нет единого мнения по поводу того, как должна выглядеть и каким требованиям должна отвечать "идеальная" SCADA-систсма. Однозначного ответа на данные вопросы не существует, так же как не существует единственно правильного подхода к проектированию систем промышленной автоматизации.
Необходимо различать программное обеспечение SCADA, функционирующее в составе АСУ ТП конкретного объекта, и набор инструментальных программных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения, соответственно и критерии оценки средств разработки SCADA-систем и их пригодности для реализации той или иной прикладной задачи должны лежать в плоскости, несколько отличной от требований к прикладному программному обеспечению верхнего уровня АСУ ТП. Тем не менее обе разновидности ПО весьма тесно связаны (например run-time компоненты инструментальной системы непосредственно используются в объектовом ПО), поэтому мы будем называть их системами SCADA.
Для начала остановимся на основных функциях, которые возлагаются на любую SCADA-систему, независимо оттого, является она широко тиражируемым продуктом известной компании или создана специалистами отдела АСУТП предприятия для своих конкретных нужд.
Не боясь быть банальными, еще раз переведем на русский язык понятие "SCADA-система" (Supervisory Control And Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. Хотелось бы подчеркнуть, что в названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:
сбор данных о контролируемом технологическом процессе,
управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.
Согласно традиционной структуре аппаратных средств АСУ "I"П, SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем промышленной автоматизации обеспечивают выполнение следующих основных функций.
- 1. Прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков.
- 2. Сохранение принятой информации в архивах.
- 3. Вторичная 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 (или, как ее принято называть сейчас, комплексной информационной системой).
- 10. Непосредственное автоматическое управление технологическим про- цессом в соответствии с заданными алгоритмами.
Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-систсма собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.
Приведенный здесь перечень функций, выполняемых SCADA-системами, не претендует на абсолютную полноту.
Более того, само наличие некоторых функций и объем их реализации сильно варьируются от системы к системе. Часто программное обеспечение с ярко выраженным упором на функции взаимодействия с оператором (визуализация и т.п.) называют пакетами MMI (Man Machine Interface), или HMI (Human Machine Interface).
На такой функции, как автоматическое управление, стоит задержать наше внимание. Хотя практически все известные инструментальные SCADA-системы обеспечивают возможность непосредственного автоматического управления технологическим процессом, разработчику АСУ ТП следует на этапе проектирования тщательно продумать целесообразность совмещения функций автоматического управления и операторского интерфейса на одном компьютере. Хотя такое совмещение позволяет экономить на аппаратных средствах, оно может иметь и ряд негативных последствий.
Во-первых, может оказаться, что операционная система операторской станции (в настоящее время наиболее популярна Windows) не обеспечивает необходимую для конкретного технологического процесса скорость и/или детерминированность реакции SCADA-системы.
Во-вторых, неумелые действия оператора или запуск им несанкционированного программного обеспечения может вызвать полный "крах" и "зависание" операторской станции. Хотя некоторые расширения реального времени для Windows NT декларируют защиту от подобного рода неприятностей, это справедливо только до тех пор, пока "крахом" не задета система управления памятыо. Но даже при "мягком зависании" повторный "горячий" рестарт компьютера весьма проблематичен, а рука оператора при виде "голубого экрана" Windows инстинктивно тянется к кнопке Reset, против которой любые расширения реального времени бессильны.
Разумеется, существует довольно большой класс инерционных систем (типа системы управления температурой воздуха в теплице), где несколько минут, потраченных на перезапуск управляющего компьютера, не приводят к сколько-нибудь заметным негативным последствиям. Для такого рода систем решение типа "все в одном компьютере" при надлежащей страховке сторожевым таймером может оказаться вполне допустимым.
Очевидно, что перечисленные ранее функции могут выполняться прикладной программой (набором прикладных программ), разработанной на практически любом языке высокого уровня общего назначения. Причем по быстродействию, ресурсоемкости и другим показателям эффективности программного обеспечения такая программа может даже опережать аналогичное ПО, созданное с помощью специализированных инструментальных SCADA-систем.
При решении вопроса о том, писать программное обеспечение самостоятельно или использовать для этого инструментальную SCADA-систему. следует предварительно ответить на следующие вопросы.
Насколько велик проект?
Каковы сроки исполнения?
Сколько человек будет задействовано в создании программной части, какова квалификация разработчиков программного обеспечения и имеют ли они наработки в данной области?
Какова перспектива дальнейшего развития системы (в частности, по информационной емкости, по модернизации имеющихся рабочих мест оператора и добавлению новых)?
Каково количество и квалификация персонала, который будет обслуживать систему в процессе эксплуатации, в том числе вносить изменения в алгоритмы ее работы?
В принципе, ответы на эти вопросы и оценка затрат по пунктам 3,4,5 в большинстве случаев позволяют сказать, на чем писать математику для верхнего уровня АСУ ТП. Хотелось бы подчеркнуть, что SCADA-системы являются прежде всего инструментом для эффективной разработки программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП. Так что не следует верить поставщикам SCADA-пакетов, которые утверждают, что после покупки их продукта пользователю совершенно не придется привлекать квалифицированных специалистов в области программирования.
В тоже время в большинстве случаев SCADA-системы действительно позволяют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего назначения. Не секрет, что в тонкостях автоматизируемого технологического процесса разбирается только технолог или другой представитель технологического персонала, как правило, не обладающий навыками программирования. SCADA-система должна быть доступной не только для разработчика, но и для конечного пользователя создаваемой АСУ ТП, поскольку облик системы определяется и может подвергаться изменениям как разработчиком, так и пользователем.
Помимо доступности, SCADA-системе должна быть присуща максимальная открытость. Очень часто SCADA-системы имеют весьма специфические механизмы обмена данными с аппаратурой ввода-вывода. Более того, ряд SCADA-систем имеет встроенную поддержку устройств ввода-вывода, что, с одной стороны, ограничивает разработчика/пользователя в выборе технических средств, на базе которых строится система, а с другой стороны, весьма затрудняет реализацию поддержки как имеющихся на объекте контроллеров и устройств связи с объектом, так и вновь появляющихся серий и моделей контроллеров и устройств.
Есть еще один неприятный момент, когда поддержка аппаратуры встроена в SCADA-систему. Речь идет о том, что производители SCADA-системы, которым приходится самостоятельно писать драйверы для различных типов аппаратуры, весьма редко могут качественно разработать драйвер, который бы поддерживал все функциональные возможности обслуживаемых технических средств. Кроме того, в подобных драйверах, в силу отсутствия возможности углубленного тестирования, встречаются досадные ошибки, которые выявляются на этапе разработки проекта или, что еще хуже, в процессе эксплуатации системы заказчиком. В результате огромные усилия тратятся на исправление ошибок и разработку новых драйверов, тогда как по-настоящему эффективный и практически свободный от ошибок драйвер может быть написан только самим производителем аппаратуры. Очевидно, что производитель SCADA-пакета должен в первую очередь своевременно устранять ошибки и улучшать функциональность самого SCADA-пакета.
Умеренная ценя н эффективное использование вложенных средств - стоимость системы, затраты на освоение и стоимость работ по созданию, сопровождению и развитию АСУ ТП должны быть минимальными. При прочих равных условиях данное требование является наиболее существенным и, пожалуй, решающим при выборе SCADA-снстемы. Разработчики SCADA-систем всегда стараются извлечь максимальную выгоду из продаж своего продукта (что вполне понятно), строя свой бизнес на продажах систем исполнения (run-time) и множества различных функционально завершенных компонентов, платном обучении. платных обновлениях и платном сопровождении. При этом задача менеджера фирмы-системного интегратора или группы АСУ TTI предприятия, отвечающего за выбор способа и инструментов разработки программного обеспечения, состоит в оценке предположительных временных и финансовых затрат на разработку, сопровождение и последующее развитие создаваемой АСУ ТП при использовании различных инструментов разработки.
Следует обратить внимание еще на один момент. В приведенных ранее рассуждениях отсутствуют какие-либо упоминания об операционных системах, под управлением которых может выполняться программное обеспечение сбора данных и оперативного диспетчерского управления. Уже несколько лет в различных изданиях, посвященных автоматизации промышленности, обсуждение тех или иных SCADA-систем сводится к рассуждениям о том, насколько плоха операционная система DOS, ненадежна Windows, хороша QNX или OS-9. Хотелось бы отметить, что требования к параметрам операционной системы должны определяться прикладной задачей. В случае программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП также следует учитывать то, что неотъемлемой частью системы здесь является человек, время реакции которого на события недетерминировано и зачастую достаточно велико. Кроме того нельзя не учитывать тенденции развития мирового рынка программного обеспечения.
Самый верхний уровень любой автоматизированной системы - это, конечно, человек. Однако в современной технической литературе под верхним уровнем понимается комплекс аппаратных и программных средств, выполняющих роль полуавтоматического диспетчерского узла АСУТП, ядром которого служит ПК или более мощный компьютер. Человек-оператор входит в систему как одно из функциональных звеньев верхнего уровня управления. Такой подход имеет и положительные, и отрицательные стороны. Положительный момент состоит в том, что круг обязанностей оператора в таком случае заранее определен, и от него не требуется детального знания технологического процесса. Другими словами, управлять процессом сможет не только квалифицированный технолог. Отрицательные же стороны - следствие того, что уменьшается гибкость управления за счет снижения влияния на процесс.
В связи с этим разработчикам АСУТП приходится учитывать дополнительные требования. Необходимо не только принять во внимание аппаратную составляющую процесса, не только подобрать режимы работы оборудования, но и разработать надежное и корректно работающее ПО. Конечно, оптимальный вариант - это такая организация работы, когда одна и та же группа разработчиков отвечает и за технологическую карту процесса, и за подбор и отладку оборудования, и за разработку ПО. В таком случае разработчики должны быть одинаково сильны и в технологии конкретного процесса, и в применении специального оборудования, и в написании сложных управляющих, сервисных и коммуникационных программ. Однако подобрать такую команду бывает затруднительно.
Для упрощения разработки программной составляющей АСУТП сейчас используются так называемые программы ММI (Man-Machine Interface - интерфейс человек-машина) и SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных). Применение этих пакетов позволяет вести автоматизированную разработку ПО АСУТП; осуществлять в реальном времени контроль и управление технологическим процессом; получать и обрабатывать информацию о процессе в удобном виде.
Самый захватывающий и на первый взгляд простой этап при использовании SCADA-систем - это моделирование технологического процесса на экране монитора. Графический аналогичный Windows интерфейс системы интуитивно понятен и прост. Для установки исполнительных механизмов, электродвигателей, клапанов, емкостей, трубопроводов и прочего используемого в технологическом процессе оборудования достаточно щелчка мышью. Привязка параметров оборудования к потребностям процесса также проста, выполняется за несколько щелчков мышью. Глобальные и «тактические» параметры процесса заносятся в формы, организованные в виде таблиц или баз данных. Устанавливаются стандартные органы управления процессом, организуется опрос датчиков контроля. После чего можно щелкнуть мышью по кнопке «Пуск» и запустить работу технологического процесса. Так происходит в теории или при демонстрации возможностей конкретной SCADA-системы. Но на практике все сложнее.
Разработка АСУТП, использующих SCADA-системы, вне зависимости от процесса и конкретного пакета SCADA подразумевает следующие основные этапы:
- разработка архитектуры системы в целом. АСУТП строится в клиент-серверной архитектуре. Определяется функциональное назначение отдельных узлов автоматизации и их взаимодействие;
- создание прикладной системы управления каждым узлом автоматизации (вернее, алгоритма автоматизированного управления этим узлом);
- анализ и устранение аварийных ситуаций;
- решение вопросов взаимодействия между уровнями АСУТП; подбор линий связи, протоколов обмена; разработка алгоритмов логического взаимодействия различных подсистем;
- решение вопросов возможного наращивания или модернизации системы;
- создание интерфейсов оператора;
- программная и аппаратная отладка системы.
Все эти вопросы необходимо решать на этапе проектирования и создания именно верхнего уровня АСУТП, иначе могут возникнуть ситуации, когда разнообразные функциональные модули технологического процесса будет затруднительно увязать с единой по идеологии и техническому воплощению системой управления. Использование системы SCADA позволяет вполне успешно провести все вышеперечисленные этапы проектирования и отладки.
Как работают SCADA-системы
SCADA-пакеты состоят из нескольких программных блоков: модули доступа и управления, сигнализации, базы данных реального времени, базы данных и модули ввода-вывода и аварийных ситуаций.
Главное требование к SCADA-системам - корректная работа в режиме реального времени. Причем главным приоритетом при передаче и обработке обладают сигналы, поступающие от технологического процесса или на него и влияющие на его протекание. Они имеют приоритет даже больший, чем обращение к диску или действия оператора по перемещению мыши или сворачиванию окон. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционных систем ОС реального времени, однако в последнее время все больше разработчиков создает свои SCADA-продукты на платформе Microsoft Windows NT, встраивая в нее подсистемы жесткого реального времени RTX (Real Time Extension). При таком подходе можно использовать Windows NT как единую ОС при создании многоуровневых систем, задействовать стандартные функции Win32 API и строить интегрированные информационные системы - АСУП.
Источники данных в системах SCADA могут быть следующими.
- Драйверы связи с контроллерами. Очень важна надежность драйверов связи. Драйверы должны иметь средства защиты и восстановления данных при сбоях, автоматически уведомлять оператора и систему об утере связи, при необходимости подавать сигнал тревоги.
- Реляционные базы данных. SCADA-системы поддерживают протоколы, независимые от типа базы данных, благодаря чему в качестве источника данных может выступать большинство популярных СУБД: Access, Oracle и т. д. Такой подход позволяет оперативно изменять настройки технологического процесса и анализировать его ход вне систем реального времени, различными, специально созданными для этого программами.
- Приложения, содержащие стандартный интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding), позволяющую включать и встраивать объекты. Это дает возможность использовать в качестве источника данных даже некоторые стандартные офисные приложения, например Microsoft Excel.
Ввод поступающих и вывод передаваемых данных организованы как система специальных функциональных блоков. Текущая информация о процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и приводят ее в вид, пригодный для дальнейшего анализа и обработки. Блоки обработки реализуют алгоритмы контроля и управления, такие как ПИД-регулирование, задержка, суммирование, статистическая обработка; над цифровыми данными могут проводиться операции булевой алгебры и др. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту. Для связи с объектами используются широко распространенные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей. Иными словами, если два различных клиента одновременно запрашивают у сервера одни и те же данные, он посылает контроллеру не два запроса, а лишь один, возвращая второму клиенту данные из кэш-памяти.
Едва ли не самый важный момент при создании АСУТП - это организация такой системы управления, которая обеспечивала бы надежность и оперативную отработку аварийных ситуаций как в самой системе управления, так и в технологическом процессе. Аварийное сигнализирование и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом. Надежность же системы управления достигается за счет горячего резервирования. Можно зарезервировать все: сервер, его отдельные задачи, сетевые соединения и отдельные (или все) связи с аппаратурой. Резервирование происходит по интеллектуальному алгоритму: чтобы не создавать удвоенную нагрузку на сеть, основной сервер взаимодействует с аппаратурой и периодически посылает сообщения резервному серверу, который сохраняет в памяти текущий статус системы. Если основной сервер выходит из строя, резервный берет управление на себя и работает до тех пор, пока основной не приступит к работе. Сразу после этого базы данных основного сервера обновляются данными резервного и управление возвращается основному серверу.
Все SCADA-системы открыты для дальнейшего расширения и усовершенствования и имеют для этих целей встроенные языки высокого уровня, чаще всего Visual Basic, либо допускают подключение программных кодов, написанных самим пользователем. Кроме того, к системам можно подключать разработки иных фирм, объекты ActiveX, стандартные библиотеки DLL Windows. Для реализации этих технологий разработаны специальные инструментальные средства и специализированный интерфейс.
SCADA-система может быть интегрирована с самыми разными сетями: другими SCADA-системами, офисными сетями предприятия, регистрирующими и сигнализирующими сетями (например, охрана и пожарная сигнализация) и т.п. Для эффективной работы в этой разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Одно только упоминание протокола TCP/IP уже говорит о том, что SCADA-системы могут работать и в Интернете, тем более что все более актуальной становится передача оперативной и статической информации о процессе на Web-узлы.
В заключение хотелось бы сказать, что понятие АСУТП изначально шире, чем SCADA. Когда в литературе иногда говорят о SCADA-системах, подразумевая АСУТП, это не совсем правильно. SCADA разрабатывались именно как системы, позволяющие предоставлять оператору информационные услуги на верхнем уровне управления технологическим процессом. Но они не могут обеспечить полностью автоматизированное управление сверху донизу хотя бы по той простой причине, что это всего лишь программный продукт, устанавливаемый на персональном компьютере. А любой технологический процесс требует, кроме того, еще разнообразного специфического оборудования и происходит он в реальной жизни, а не в виртуальной среде.
Однако сложившаяся практика построения автоматизированных систем управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение SCADA-систем в проектировании АСУТП значительно упрощает жизнь разработчикам и позволяет организовать надежное и качественное управление при эксплуатации систем.