SCADA системы как инструмент проектирования АСУ ТП

Введение

Деятельность SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) определена развитием СУ результатами научно-технической деятельности. Использование SCADA-технологий повышает достижение большого уровня автоматизации в решении задач разработки СУ, обработки, сбора, передачи, хранения и отображения данных. 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. Управление тех процессами на основе SCADA 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.

Выбрать подходящую SCADA-систему является трудной задачей. Повышение квалификации будущих специалистов по эксплуатации и разработке систем управления на базе SCADA систем производится на ематических курсах различных производителей SCADA систем, курсах повышения квалификации. На данный момент в учебные планы ряда технических институтов начали вводиться предметы, связанные с изучением SCADA-систем. Хотя специализированные учебники по SCADA-системам отсутствует, есть лишь некоторые статьи и рекламные буклеты.

SCADA системы как  инструмент проектирования АСУ  ТП

Рассматриваются вопросы, связанные с использованием SСАDА-систем как инструмента проектирования верхнего уровня А СУ ТП: этапы создания, функциональные и эксплуатационные характеристики SСАDА-систем, интеграция многоуровневых систем автоматизации, сравнительный анализ и тестирование SСАDА-систем. Используются результаты, полученные в МГТУ им. Н. Э. Баумана на протяжении последних лет.

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.

Толчком к появлению работы послужила отечественная SСАDА-система Трейс Моуд, опыт работы с которой накоплен в учебно-научном центре "Интеллектуальные системы" при МГТУ им. Н. Э. Баумана с 1994 г.

SCADA: задачи, решаемые  на верхнем уровне АСУТП

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;

SCADA: подсистема  защиты

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.

SCADA: требования  к системам верхнего уровня

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);

- простоту 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;

- надежность (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.

- средства компьютерной защиты информации, разграничение ответственности пользователей;

- предоставление 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

Методы повышения надежности систем SCADA

В тщательно спроектированных системах эти возможности способствуют улучшению эффективности работы предприятия и ,следовательно, увеличению прибыли. Однако, при разработке таких систем, инженеры часто упускают из вида один существенный аспект - что произойдет, если какой либо элемент аппаратуры выйдет из строя?

Локальная система и распределенная система АСУТП

Локальная система АСУТП  и распределенная система  имеют одну общую особенность. Обе системы полностью выйдут из строя, если всего в ОДНОМ компоненте системы (компьютере, соединенном с контроллерами или сетью контроллеров) возникнет неисправность.

Большинство современных компьютеров обеспечивают хорошие показатели надежности, но тем не менее они также выходят из строя, особенно при эксплуатации в жестких производственных условиях. Если какие либо компоненты производственного процесса являются критически важными (или весь процесс), или стоимость остановки производства очень высока, возникает необходимость построения резервируемых систем. В системах обеспечивающий резервирование, выход из строя одного компонента не влечет за собой остановку всей системы. Программное обеспечение для управления производственными процессами SCADA система поддерживает реализацию резервирования большинства компонентов как вследствие особенности архитектуры, так и наличию встроенных механизмов.

Архитектура Клиент- Сервер

Распределение процессов управления и контроля по нескольким компьютерам, объединенных в локальную сеть позволяет увеличить эффективность и скорость работы всей системы. В простой системе, компьютер соединенный с промышленным оборудованием, становится сервером, предназначенным для взаимодействия с контроллерами, в то время как компьютеры в локальной сети - клиентами. Когда компьютеру-клиенту требуются данные для отображения, он запрашивает их у сервера и затем обрабатывает локально.

Дублирование Сервера Ввода-Вывода

Для обеспечения резервирования в систему может быть добавлен второй (резервный) сервер, также предназначенный для взаимодействия с промышленным оборудованием. Если основной сервер выходит из строя, запросы клиентов направляются к резервному серверу. Резервный сервер не должен при этом полностью дублировать работу основного, поскольку в этом случае оба сервера взаимодействуют с контроллерами, удваивая нагрузку на промышленную сеть, сокращая следовательно, общую производительность. В клиент- серверной архитектуре только основной сервер взаимодействует с контроллерами. Одновременно он обменивается данными с резервным сервером, постоянно обновляя его статус. Если обмен данными с основным сервером прекращается, резервный сервер полагает что основной вышел из строя и берет на себя его функции. После того, как неисправность в основном сервере будет устранена и он будет снова включен, основной сервер считает текущее состояние с резервного сервера и восстановит свою роль в качестве основного.

Резервирование на уровне задач

В клиент в серверной архитектуре при наличии дублированных серверов ввода-вывода можно реализовать более чем просто поддержка постоянной связи с промышленными устройствами. Необходимо также обеспечить сохранность и непрерывность данных тревог и графиков в случае возникновения неисправности. Это может быть обеспечено путем разделения функций сервера на 4 задачи:

-ввод-вывод;

- тревоги;

- графики;

- отчеты;

Каждая из этих задач поддерживает свою базу данных независимо от других задач, так что можно дублировать каждую задачу в отдельности. Например, можно обеспечить параллельное исполнение задач отображения графиков на разных серверах в отличие от архитектуры основной/резервный, используемой для серверов ввода-вывода. Во время работы SCADA обеспечивает параллельную работу основных и резервных серверов. Если основной сервер Отчетов, Графиков или Тревог выходит из строя, все клиенты получают данные с резервного. После рестарта основного сервера клиенты сохраняют работу с резервным сервером до тех пор, если он не выйдет из строя или произойдет выключение и перезагрузка клиента. Поскольку SCADA обеспечивает идентичность данных на обоих серверах, для клиента нет никакой разницы откуда брать данные- с основного или резервного, ситуация когда часть клиентов берет данные с основного а часть с резервного является нормальной. После устранения неисправности основного сервера он может обновить свои данные графиков с помощью информации с резервного. Таким образом, поддерживается непрерывное отображение информации графиков. Выделенный сервер файлов В систему может также быть добавлен выделенный сервер файлов для централизованного хранения баз данных и информации для отображения на экране. В случае выхода из строя основного сервера обеспечивается непрерывное отображение графиков. Централизованные базы данных также легче поддерживать и администрировать.

Резервирование связи с контроллерами

В большинстве контроллеров можно организовать дополнительную связь между сервером ввода-вывода и устройством. Наличие дополнительного канала связи гарантирует сохранение обмена данными, если основной канал выйдет из строя. Во время старта SCADA-пакета соединяется с устройством по основному каналу связи. Если обмен данными нарушается (например обрыв кабеля) SCADA переключается на резервный канал. Обратный переход на основной канал происходит после восстановления физического соединения. Резервный путь обмена данными можно также организовать по локальной сети. Если устройство ввода-вывода поддерживает соединение точка-точка, можно обеспечить полное резервирование путем дублирования устройств. Необходимо также отметить, что конкретная реализация всех вышеприведенных возможностей повышения надежности существенно различается в разных пакетах SCADA. Основным критерием можно считать простоту настройки реальных конфигураций, то есть программная поддержка решений, изначально заложенная в пакете. Все возможности по резервированию в SCADA полностью встроены в пакет и не требуют никакого дополнительного программирования.

Особенности SCADA как процесса управления

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).

Телеметрия в коммунальном хозяйстве и информационные SCADA-системы

Одним из важных направлений в решении проблем энергосбережения является создание единой информационной системы, позволяющей автоматически вести учет энергопотребления и автоматически регулировать режимы сетей. В условиях, когда тарифы на оплату энергоресурсов становятся все выше, потребители задумываются о контроле за реально получаемыми объемами тепла, пара, электроэнергии.

Поставщики энергоресурсов нередко списывают свои потери на потребителей. Поэтому не только потребители, но и поставщики должны заняться анализом потерь. Технологический учет энергоресурсов для них - это путь к совершенствованию своего хозяйства, повышению дисциплины и, в конечном счете, к конкурентоспособности на рынке.

Необходимость решения проблем энергосбережения привела в последние годы к тому, что в коммунальном хозяйстве разрабатываются и внедряются программы по установке приборов учета энергоресурсов (на системах теплоснабжения, водоснабжения, сбора и очистки сточных вод, электроснабжения). Для решения проблем диспетчеризации интенсивно применяются SCADA-системы.

Системы SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - это системы, осуществляющие процесс сбора информации с удаленных объектов в реальном времени для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. В настоящее время на отечественном рынке распространяются более 20 открытых SCADA-систем производства различных фирм. Системы отличаются друг от друга структурой, функциональными, техническими возможностями и ценой.

Наилучших результатов по учету энергоносителей можно достичь тогда, когда все сопутствующие вопросы решаются комплексно. В этом плане аппаратные и программные комплексы, поставляемые службам коммунального хозяйства, позволяют:

- вести оперативный учет потребленных энергоносителей и воды;

- осуществлять контроль технических параметров отопления, горячего и холодного водоснабжения, электроснабжения;

- вести учет работы лифтового оборудования, в том числе автоматический подсчет времени простоя лифтов в неисправном состоянии;

- осуществлять дистанционное управление включением освещения в подъездах и на внутридворовых территориях;

- передавать сигналы о проникновении в технические помещения (лифтовые шахты, электрощитовые, подвалы);

- осуществлять круглосуточную фиксацию действий дежурного персонала.

Специальные программные средства позволяют как оперативно, так и долгосрочно осуществлять анализ динамики измеряемых процессов (в частности, потерь тепла, материальных затрат на энергоносители), в том числе с подготовкой отчетов в вышестоящие инстанции и расчетные отделы. При этом руководитель, главный инженер или диспетчер на мониторе своего компьютера видит наглядное отображение состояния контролируемого объекта, значения всех измеряемых параметров. А таких объектов в системе может быть до 1000. Теперь можно, не вставая с кресла, управлять объектами, видеть, что и как изменяется в результате оперативного вмешательства. Идет запись в круглосуточном режиме всех показаний приборов, реакции на них дежурного персонала. Можно строить и распечатывать графики изменения контролируемых параметров. При необходимости все эти данные могут быть распечатаны для анализа действий персонала руководством муниципальных служб.

Уже на первой стадии практической эксплуатации выявляются преимущества введения системы телеметрии и комплексной информатизации диспетчерской службы объектов коммунального хозяйства:

- высокая оперативность получения на диспетчерском пульте текущей информации о состоянии объектов с возможностью дистанционного управления ими;

- отказ от использования десятков дорогих самописцев на объектах;

- возможность гибкой перенастройки системы (например, режим двухставочного тарифа за использованную электроэнергию, воду, тепло);

- экономия фонда зарплаты за счет создания квалифицированных высокооплачиваемых дежурных бригад, обслуживающих несколько объектов;

- объективный контроль технологической дисциплины;

- интеграция с системами охраны.

При этом передача полного объема информации и команд управления происходит всего по одной паре проводов либо по радиоканалу. Кроме того, разработанные в настоящее время аппаратные средства для SCADA-систем (например, система RIX фирмы MOTOROLA) позволяют осуществлять передачу видеоизображений по стандартным узкополосным УКВ-радиоканалам. Система предназначена для визуального наблюдения за состоянием контролируемых объектов. С ее помощью может осуществляться оценка общего состояния объекта, контроль правомерности доступа на объект, проверка задымления и т. п.

С наименьшими затратами система передачи видеоизображений может быть развернута на объектах, на которых уже установлено оборудование телемеханики. В этом случае она подключается к существующим контроллерам (RTU) и для передачи видеокадров используется тот же радиоканал и те же радиостанции, что и для передачи телемеханической информации.

Фактически, в этом случае необходимо только установить на объектах вблизи RTU нужное число видеокамер (от 1 до 6 для системы RIX) и устройство, осуществляющее съем видеосигнала и его сжатие для передачи по низкоскоростному каналу связи. Просмотр полученных изображений производится в диспетчерском пункте с помощью специальной программы, работающей на основном диспетчерском компьютере либо на отдельной ПЭВМ.

Сегодня опыт разработки и внедрения SCADA-систем позволяет реализовывать системы телеизмерений и телеуправления различной сложности и направленности, на различном оборудовании, с различными ценовыми показателями, учитывая все пожелания заказчиков.

В качестве примера таких систем может служить система автоматизации и диспетчеризации тепловых пунктов, построенная с использованием оборудования, осуществляющего сбор и передачу информации и сигналов управления по радиоканалу.

Для нашего города интерес представляет применение SCADA-систем для обеспечения надежной безаварийной работы большого числа встроенных и пристроенных к домам газовых котельных в центральной части Петербурга. Решение вопросов автоматизации и диспетчеризации позволит теплоснабжающим организациям не только максимально эффективно и экономично использовать энергоресурсы, но и в кратчайшие сроки реагировать на любые внештатные ситуации, возникающие при работе котельного оборудования.

Важное место в обеспечении нормальной жизнедеятельности нашего города играет бесперебойная работа систем водоснабжения и канализационных систем, предназначенных для сбора сточных вод. Во всех водоочистных системах в той или иной степени используется дистанционное контрольное и управляющее оборудование для обеспечения правильного и эффективного функционирования. Прежние системы базировались, главным образом, непосредственно на местном контроле, с возможностью лишь дистанционной индикации аварийного сигнала. Новое оборудование позволяет получать значительно больше информации как непосредственно для местного, так и для дистанционного управления. Такие динамические процессы, как сбор и очистка сточных вод, требуют непрерывного контроля и управления операциями с целью максимального снижения расходов и соблюдения стандартов очистки стоков. Предотвращение крупных неисправностей приобретает особое значение в связи с необходимостью учитывать и без того сложную экологическую обстановку в Санкт-Петербургском регионе.