Характеристики, свойства, функции, структура SCADA системы In Touch

Введение. 

       Управление  тех процессами на основе SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) систем стало осуществляться в западных странах в 80-е годы. Область их применения охватывает нелегкие отрасли водо- и электроснабжения, нефтехимические, химические и нефтеперерабатывающие промышленности, жд транспорт, транспортировка газа и нефти и др.

       В нашей стране SCADA опиралось, главным  образом, на опыт оперативного персонала. Уход к управлению на основе SCADA-систем осуществился позже. В мире можно найти немало компаний, занимающихся внедрением и разработкой SCADA-систем. К трудностям освоения в РФ новой информационной технологии - SCADA-систем - относятся как нехватка эксплуатационного опыта, так и отсутствие информации о различных SCADA-системах.

       Полнота и наглядность представляемой на экране информации, дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI - Humain/Man Machine Interface), предоставляемого SCADA-системами, удобство пользования подсказками и справочной системой, доступность «рычагов» управления и т. д. увеличивают эффективность взаимодействия системы с диспетчером и приводят к минимуму его опасные шибки при взаимодействии. Нужно заметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка и управление в реальном времени, решает еще ряд задач - минимизация сроков разработки проектов по автоматизации и прямых денежных трат на их создание

       SCADA является главным и наиболее  лучшим методом автоматического управления сложными процессами.

       Функции , возлагаемые на SCADA-систему.

       Хотелось  бы подчеркнуть, что в названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:

• сбор данных о контролируемом тexнологическом процессе,
• управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.

       Основные  возможности и средства, присущие всем системам и различающиеся только техническими особенностями реализации:

• автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;
• средства сбора первичной информации от устройств нижнего уровня;
• средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях;
• средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных);
• средства обработки первичной информации;
• средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.п.;
• возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемых как "единое целое" ("recipe" или "установки").

       SCADA -системы 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 АСУ ТП 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 процессом в соответствии с заданными алгоритмами. 
    Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, и котором это необходимо. 
            Перечисленные возможности SCADA-систем в значительной мере определяют стоимость и сроки создания ПО, а также сроки ее окупаемости.

       Графические возможности.

       Функционально графические интерфейсы SCADA-систем весьма похожи. В каждой из них существует графический объектно - ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий круг операций над выбранным объектом. Объекты могут быть простыми (линии, прямоугольники, текстовые объекты и т. д.) и сложные. Возможности агрегирования сложных объектов в разных SCADA - системах различны. Все SCADA - системы включают библиотеки стандартных графических символов, библиотеки сложных графических объектов, обладают целым рядом других стандартных возможностей.

Перечень SCADA-систем популярных на западном и российском рынках SCADA-систем, имеющих поддержку  в России:

       SCADA системы как инструмент  проектирования АСУ  ТП

       Современные методы управления производственными процессами на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий. Конец XX столетия и начало третьего тысячелетия характеризуются широким проникновением Интернет-технологий в производство. Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала.

       Однако практика эксплуатации сложных производственных систем показывает, что ограниченная формализация основополагающих этапов проектирования АСУ ТП может привести к невозможности достижения поставленных целей, к получению результатов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями, методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального (оптимального) управления в изменившихся условиях.

       В ответ на поставленные проблемы появились  так называемые "коробочные" решения в области проектирования АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня АСУ ТП (уровень SСАDА-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - ЕRР-систем).

       Однако применение SСАDА-систем, особенно для разработчиков проектов, - это не просто "click...click", это еще и огромный набор технологий. Компаниям, представляющим SСАDА-системы на российском рынке, необходимо включать в свои информационные материалы не только перечисление свойств и возможностей конкретной SСАDА-системы, но и технологии, обеспечивающие эти свойства.

       В имеющейся на сегодняшний день литературе по SСАDА-системам в большей степени внимание уделено уже ставшему традиционным набору свойств и характеристик SСАDА-систем; значительно меньше внимания уделено появившимся новым информационным технологиям для связи SСАDА-систем с другими составляющими АСУ ТП, в частности, ОРС-серверам (OLE for Process Control), расширениям реального времени для Windows NT, а также моментам, которые ранее не часто находили отражение в публикациях - о нише SСАDА Основная цель работы заключается в рассмотрении теоретических основ, моделей и методов формализации этапов проектирования АСУ ТП на примере SСАDА-систем - систем для формирования единой методологии разработки АСУ ТП с помощью современных вычислительных средств.

       Средством достижения поставленной цели является теоретическое обобщение существующих в этой области локальных результатов  и разработка новых подходов к  формализации основных этапов проектирования АСУ ТП.

       Задачи, решаемые на верхнем уровне АСУТП:

• прием и сохранение в архивах принятой информации о контролируемых технологических параметрах от оборудования нижестоящего уровня (контроллеров и датчиков);
• обработка принятой информации в реальном масштабе времени: математическая обработка информации от «нижнего» уровня с целью получения реальной картины состояния всего технологического процесса;
• сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными значениями и формирование сигналов управления, а также предупредительной и аварийной сигнализации;
• сохранение принятой информации в единой базе данных;
• отображение хода технологического процесса в виде мнемосхем, трендов (графиков изменения параметров во времени), индикаторов;
• хронометрирования основных технологических параметров, формирование протокола событий и архивных данных;
• обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием. прием команд оператора и передача их контроллерам и исполнительным механизмам;
• непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами и технологическими регламентами;
• регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы;
• 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;
• формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации

       Пользователи  АРМ разделены на группы: операторы и администраторы. Возможности операторов в системах управления должны быть ограничены, чтобы они не могли изменять ключевых настроек, которые могут вызвать некорректную работу системы.

       Администратор должен иметь доступ ко всем приложениям системы для устранения сбоев в системе при ее некорректной работе. 
Она ограничивает доступ к:

• приложениям системы;
• критическим функциям приложений;
• файлам экранов оператора;
• блокам базы данных.

       В первую очередь при разработке стратегии  защиты были созданы компактные списки входа групп – оператор и администратор. Такой подход минимизирует количество работы, необходимой для создания списков, и в то же время обеспечивает гибкость и эффективность. Вместо создания четырех операторских списков, с которыми были бы связаны одни и те же элементы приложения, создан один список входа группы с определенными привилегиями и назначен четырем операторам.

       Для администратора сформирован отдельный  список входа. После создания списков  входа групп были назначены остальные привилегии индивидуальным спискам входа пользователя. Списки входа пользователя определяют защищенные зоны, списки входа групп и элементы приложения, доступные отдельным пользователям. Операторы входят в систему вручную, используя специальную программу Login (Вход). Данная программа позволяет пользователям ввести их входные имена и пароли.

       Программа Login дает возможность сделать три попытки правильного ввода входного имени и пароля. После третей неудачной попытки программа Login закрывается. Пользователи могут пытаться войти в систему, перезапустив программу Login. В SCADA-системе ведется контрольный журнал защиты, в котором записываются сведения о каждой попытке входа. Читая контрольный журнал можно узнать:

• кто входил в систему и выходил из нее;
• когда оператору не удалось завершить процесс входа в систему;
• когда кто-либо пытался получить доступ к элементу приложения, для которого он не имел привилегий.

       Требования к системам верхнего уровня:

• Они должны работать только с технологической информацией, отражающей основной технологический процесс. Поэтому АРМы должны быть сориентированы на работу в терминах и понятиях технологического процесса      
• обеспечение открытости, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами;
• мощной, иметь гибкие средства, обеспечивающие пользователю эффективное создание экранных форм с минимальными затратами труда и времени(максимальная автоматизация рутинных процессов);
• обеспечение простоты разработки приложений  и доступной не только для разработчика, но и для конечного пользователя создаваемой АСУТП, поскольку облик системы определяется и может подвергаться изменениям как разработчиком, так и пользователем (возможность самообучения специалистов);
• максимально открытой, во-первых, иметь возможность сопряжения с различными продуктами других фирм (ПО технологических контроллеров, СУБД, другими SCADA), во-вторых, иметь в наличии мощный и универсальный скриптовый язык и, в-третьих, иметь возможность встраивания в SCADA готовых компонентов (в первую очередь – ActiveX);
• масштабируемой и полнофункциональной, позволяющей создавать проекты разного масштаба от сотен сигналов до десятков тысяч и для различных задач промышленной автоматизации;
• надежной (технологическая и функциональная)–быть устойчивой к ошибкам во внешних компонентах и к некорректным действиям обслуживающего персонала, т.е.: никакой единичный отказ оборудования не должен вызнать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).эффективной – обеспечивать необходимую функциональность и быстродействие при ограниченных требованиях к компьютеру;
• иметь умеренную цену на основное ПО и на лицензии исполнительных модулей пакета.
• Иметь средства компьютерной защиты информации, разграничение ответственности пользователей
• должна предоставлять обслуживающему персоналу гибкий инструментарий для анализа поступающей информации .В стандартный набор типовой SCADA, как правило, не входят средства для решения и гибкого анализа, а возможности, предоставляемые стандартными SCADA-пакетами,  являются явно недостаточными для выполнения полноценного, детального анализа поступающей информации. Для увеличения отдачи от системы автоматизации в ее состав должна входить некоторая надстройка, обеспечивающая выполнение функций анализа, формирования технологических и технико-экономических балансов для технологических объектов/узлов, включая приведенные, расчетные и удельные показатели, построения сравнительных таблиц, графиков, диаграмм с произвольным набором параметров, указанных пользователем и т.п.

       Технические средства верхнего уровня:

• операторские станции, организующие информационное сопровождение и оперативное управление технологическим процессом;
• инженерные станции, организующие доступ инженера к программному обеспечению для отладки и тестирования;
• промышленный сервер   - обеспечивает ввод и обработку информации, формирование алгоритмов управления и вывод управляющих воздействий в схемы управления арматурой и механизмами, накопление в реальном масштабе времени и надежное длительное хранение больших объемов технологической информации, а также доступ к ней с большого числа операторских и  инженерных станций.
• сетевое оборудование, обеспечивающее передачу информации и управления между станциями и устройствами ПТК;
• устройства связи с другими ПТК или АСУ или устройства удаленного доступа

       Особенности процесса управлении в современных диспетчерских системах:

• процесс SCADA применяется в системах в которых обязательно наличие человека;
• процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу (потере) объекта управления или даже катастрофическим последствиям;
• оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;
• активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы. нештатные ситуации и пр.);
• действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

       В состав типовой SCADA входят следующие подсистемы:

• Графической среды разработки и запуска приложений,
• Архивов,
• Аварий,
• Доступа
• Встроенных языков программирования

       Компоненты  систем контроля и  управления и их назначение

       Многие  проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют  выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рисунке 1.

        
Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях  реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика  каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

• Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controoller), которые могут выполнять следующие функции:
• сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;
• управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;
• решение задач автоматического логического управления и др.

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

       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.