Scada-системы на верхнем уровне асутп. Кибербезопасность АСУ ТП – что это и зачем? Что такое скада система в асу тп

24.03.2021Рубрика: Услуги

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.

До недавнего времени на предприятиях вся автоматика, управляющая технологическим оборудованием, была построена на основе аналогичных приборов. Но со временем расширилось производство, возникла необходимость вести точный учет сырья, энергоносителей, электроэнергии и выпущенной продукции. Количество контролируемых и регулируемых параметров постоянно растет. Перечисленные факторы способствовали появлению программно-технологических средств класса SCADA-систем.

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, надеясь на то, что из контекста понятно, о чем идет речь в каждом конкретном случае.

Для начала остановимся на основных функциях, которые возлагаются на любую SCADA-систему, независимо от того, является она широко тиражируемым продуктом известной компании или создана специалистами отдела АСУ ТП предприятия для своих конкретных нужд.

На русский язык понятие «SCADA-система» (Supervisory Control And Data Acquisition System) переводится как система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. Хотелось бы подчеркнуть, что в названии присутствуют две основные функции, возглавляемые на SCADA- систему:

1) сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

2) управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.

Характерной особенностью современной SCADA является наличие так называемого MMI (Man Machine Interface) или НМI (Human Machine Interface) – интерфейса взаимодействия оператора через средства визуализации (графический интерфейс) с низкоуровневой автоматикой.

Можно выделить следующие основные требования, предъявляемые к SCADA-системам:

1) Надежность

2) Гибкость

3) Расширяемость

4) Открытость

5) Высокая производительность

6) Совместимость с отечественными и импортными датчиками

7) Совместимость с отечественными и импортными контроллерами

8) Компактность

9) Возможность дистанционного управления

10) Наличие русскоязычного интерфейса пользователя

11) «Гибкий» переход от одной марки к другой в случае циклических технологических процессов, а также в ТП, предусматривающих изменение марки выпускаемой продукции

12) Наличие БД реального времени

13) Возможность резервирования (дублирования)

14) Архивация

15) Интеграция со стандартными промышленными локальными и глобальными вычислительными сетями (LAN и WAN)

16) Безопасная интеграция данных с приложениями других разработчиков

17) Приемлемая цена

Рис. Традиционная структура технических средств АСУ ТП

Согласно традиционной структуре аппаратных средств АСУ ТП, показанной на рисунке, SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем промышленной автоматизации находятся на уровнях 1-3 и 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

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 – КИС)

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, в котором это необходимо.

Приведенный здесь перечень функций SCADA-системами, естественно, не претендует на абсолютную полноту.

При выборе SCADA нельзя не учитывать тенденции мирового рынка ПО, а также ОС, под управлением которых и функционирует SCADA- система.

Как правило, «средние» SCADA-системы строятся на операционной платформе WINDOWS NT, которая имеет ряд положительных свойств и определенные недостатки.

К положительным свойствам SCADA- систем на платформе WINDOWS NT следует отнести:

Открытость;

Простое в использовании ПО;

Быстрое обучение;

Низкие затраты на обслуживание;

Современный объектный подход.

Отрицательные аспекты :

Существует возможность загрузки непроверенных программ сторонних разработчиков на операторскую станцию и перезаписи ключевых программных компонентов.

Те, кто знаком с ОС WINDOWS, знают, что перезапись DLL (динамически связываемых библиотек) и ОСХ компонентов (ActiveX) является реальной угрозой. Загрузка некорректно работающего приложения стороннего производителя (поставщика) способна привести к отказу рабочей станции.

При общей оценке технологии в промышленности и ее реализации на SCADA-системе необходимо учитывать временные характеристики работы объектов ТП и попытаться оценивать время реакции оператора на то или иное событие, а также период опроса системой датчиков и исполнительных механизмов с выдачей результата (время реакции системы на события). В случае инерционных (растянутых во времени) ТП время реакции оператора и системы является не критичным, а в случае ТП, где требуется немедленная и быстрая реакция оператора или системы на события, необходимо учитывать эти факторы при проектировании системы в виде дополнительных требований к поставщику SCADA-системы.

В состав любой SCADA-системы входят прикладные модули (программы), которые обеспечивают возможность настройки и конфигурирования системы на конкретный ТП (у разных производителей систем эти модули могут по-разному называться, иметь существенные различия, полноту, но обобщенно их можно обозначить таким образом):

Графический модуль с библиотекой готовых форм для построения мнемосхем и их анимации;

Модуль для конфигурирования контроллера;

Модуль управления для построения функциональных блоков, логических цепочек взаимодействия между собой низко уровневой автоматики;

Модуль для организации отчетов, рапортов и трендов;

Модуль обмена т.н. рецептурами;

Модуль обмена данными с приложениями других разработчиков (фирм).

Вообще, современная SCADA должна строиться на передовых сетевых решениях и должны обеспечивать возможность управления с удаленной операторской станции, станции или удаленного контроллера для тех производств, где помимо автоматизации основного производства (ТП), необходимо автоматизировать удаленные отделения основного производства (например: склад сырья, склад готовой продукции, дополнительные производства).

Тонкости и секреты ТП знает лучше всех технолог, не обладающий навыками программирования, поэтому SCADA- системе должна быть присуща максимальная открытость.

Как правило, качество выпускаемого продукта сильно зависит от режима работы технологического оборудования, и управления технологическим оборудованием сводится, например, к стабилизации давлений в колоннах, температур в дефлегматорах, осуществлению равномерного нагрева реакторов, котлов во времени и поддержанию температуры в реакторе или котле, управлению частотой вращения мешалки при смешивании нескольких видов сырья, регулированию подачей теплоносителя и охладителя для равномерного нагрева аппаратов.

При этом контроллер принимает сигналы с термосопротивлений, термопар, пневмоэлектрических преобразователей, опрашивает состояние дискретных и аналогичных датчиков и вырабатывает сигналы, управляющие работой задвижек. Алгоритм управления задвижками можно выбрать при конфигурировании системы из библиотеки алгоритмов SCADA- системы.

В особо опасных производствах существует ряд объектов, для управления которыми требуется дублированные системы. Такие требования обусловлены как действующими нормативными документами, так и возможными последствиями аварии на объекте.

Для систем противоаварийной защиты указанные требования также актуальны.

Актуальна и возможность в случае наступления аварий ной ситуации «безударно» перейти на ручное управление, а после устранения причины аварии вернуться на автоматическое управление.

В заключение можно сказать, что SCADA-система должна быть приспособлена к применению в периодическом и непрерывном управлении, а также представлять собой интегрированную, открытую, экономически эффективную систему, позволяющую решать проблемы повышения производительности при управлении промышленными процессами.

Библиография по разделу

SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) – программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени.

Главная функция SCADA-систем это создание человеко-машинного интерфейса т.е. SCADA система выступает сразу в двух ролях – в роли HMI и в роли инструмента его создания. Подсистемы, входящие в состав SCADA-системы:

драйверы или серверы ввода-вывода – программы обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами;

система реального времени – программа, которая обеспечивает обработку данных в пределах заданного времени с учетом приоритетов;

человеко-машинный интерфейс – инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им;

система логического управления – программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки;

база данных реального времени – обеспечивает хранение истории процесса;

система управления тревогами – программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.

Роль и место scada-систем на рынке асутп

По применению SCADA-системы можно разделить на две группы:

использование методов искусственного интеллекта для решения задач поддержки и принятия решений и управления;

методы обработки и представления информации, основанные на знаниях.

В первую группу входят системы, реализующие традиционные функции мониторинга и управления процессами:

ведение базы данных реального времени;

выполнение расчетов;

графическое представление данных и параметров в виде мнемосхем, графиков, диаграмм и т.д.;

предупредительная сигнализация;

архивирование информации;

генерирование отчетов.

К данной группе относят продукты вида: RTAP/Plus (HewlettPackard), Monitrol\UX (Hilco), PMIS (Bradley-Ward), Simplicity (GE Fanuc) и т.д.

В функции систем второй группы входит интеллектуальная информационная поддержка человека-оператора при управлении процессами. К числу этих функций относятся:

ситуационный анализ состояния объекта контроля и управления;

оперативный поиск действий оператора-управленца при возникновении аномальных и критических ситуаций;

диагностика состояния технологического оборудования;

диагностика состояния технологического процесса;

логический анализ событий;

логический анализ аномальных ситуаций;

прогноз поведения процесса во времени и другие;

защита от несанкционированных технологическим регламентом действий оперативного персонала;

ведение баз данных и знаний реального времени;

ведение гипертекстовых баз эксплуатационных и регламентных знаний.

Примерами данных систем являются зарубежная система G2 (Gensym, США), и отечественная система «СПРИНТ-РВ» (Россия), которые включают в себя не только инструментальные средства проектирования и тестирования моделей предметной области, но и средства интеллектуальной информационной поддержки принятия решений реального времени. Системы этих двух групп могут быть взаимно-дополняемы, но если система первой группы – это основы современных систем управления, то системы, основанные на знаниях, по многим причинам используются не часто.

Одни из основных причин являются:

технология создания систем, которые основываются на знаниях, недостаточно формализована, требует привлечения высококвалифицированных специалистов по инженерии, знаний и дорогостоящих экспертов, что, в конечном счете, приводит к значительным финансовым и временным затратам. Поэтому системы этого класса создаются только тогда, когда их применение сулит очень крупные материальные выгоды;

системы, основанные на знаниях, разрабатываются, в основном, как системы, модель знаний которых не может быть полной, что не всегда позволяет включать их в состав основных средств мониторинга и управления. Они используются как информационно-консультирующие средства.

Эти проблемы могут быть решены следующим способом – при помощи мониторинга/ управления и методов систем, основанных на знаниях, должны создаваться по единой высокоавтоматизированной технологии и составлять единое целое. Такую интегрированную технологию обеспечивает система «СПРИНТ-РВ», которая реализует как традиционные функции мониторинга/управления, так и интеллектуальные технологии оперативной поддержки принятия решений.

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

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.