АСУТП и SCADA-системы

АСУТП и SCADA-системы

Нижнюю группу задач в иерархии управления производством относят к системам типа SCADA – это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – оперативное диспечерское управление и сбор данных. Также встречается аббревиатура MMI (Man-Machine Interface), что означает «человеко-машинный интерфейс» в смысле обеспечения двусторонней связи «оператор — технологическое оборудование». Системы MMI все чаще называют HMI (Human-Machine Interface). Это не меняет существа дела, но снимает легкую дискриминацию по отношению к женскому полу (Man по-английски и человек и мужчина). Технический персонал может наблюдать за ходом технологического процесса и оказывать влияние на него. То есть MMI — это средство отображения и представления технологической информации.

К сфере АСУТП относятся также задачи программирования логических контроллеров PLC (Programmable Logic Controller). Это нижний уровень АСУ ТП.

Современная АСУ ТП представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Непрерывную во времени картину развития АСУТП можно разделить на три этапа, обусловленные появлением качественно новых научных идей и технических средств.

·  Первый этап внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.

·  Второй этап – автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации.

·  Третий этап – автоматизированные системы управления технологическими процессами  характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале – применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации. Диспетчер становится главным действующим лицом в управлении технологическим процессом.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами). Концепция SCАDA предопределена всем ходом развития систем управления. Концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка систем управления, позволяет решить еще ряд задач, долгое время считавшихся неразрешимыми: сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

Структура современной АСУ ТП

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис.1. Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами.

·  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.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки и даже сотни типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события.

Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA).

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рис.). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, интеллектуальные или коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

-      сбор данных с локальных контроллеров;

-      обработка данных, включая масштабирование;

-      поддержание единого времени в системе;

-      синхронизация работы подсистем;

-      организация архивов по выбранным параметрам;

-      обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

-      работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

-      резервирование каналов передачи данных и др.

Рассматривая обобщенную структуру систем управления, следует ввести и еще одно понятие - Micro-SCADA. Micro-SCADA - это системы, реализующие стандартные (базовые) функции, присущие SCADA - системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли (узкоспециализированные). В противоположность им SCADA - системы верхнего уровня являются универсальными.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных, рабочие места (компьютеры) для специалистов и т. д. Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций. Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призваны решать SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

SCADA является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах.

Интерес к высоконадежным системам диспетчерского управления и сбора данных связан с одной стороны со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий и происшествий в авиации, наземном и водном транспорте, промышленности и энергетике, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20% инцидентов (80%, соответственно, за технологическими неисправностями и отказами), то в 90-х годах доля человеческого фактора возросла до 80%, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может еще возрасти.

Основные функции SCADA-систем

1)      сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;

2)      обработка первичной информации;

3)      передача команд оператора устройствам нижнего уровня;

4)      графическое представление хода технологического процесса в удобной для восприятия форме (мнемосхемы, графики и т.п.);

5)      сохранение принятой информации в архивах с возможностью ее пост-обработки;

6)      оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об аварийных событиях;

7)      регистрация событий, связанных с действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы;

8)      формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации;

9)      защита от несанкционированного доступа к управлению технологическим процессом;

10)       обмен информацией с АСУ верхних уровней (MES, ERP);

11)       обеспечение резервирования отдельных компонентов АСУ ТП;

12)       реализация алгоритмов логического и автоматического управления технологическим процессом;

13)       обеспечение многоязыковой поддержки.

Основные требования, предъявляемые к SCADA-системам

-     надежность (технологическая и функциональная);

-     безопасность управления (единичная ошибка оператора или отказ оборудования не должны вызвать выдачу ложного выходного воздействия на объект управления);

-     эргономичность управления (все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора);

-     точность обработки и представления данных;

-     масштабируемость (простота расширения системы);

-     открытость.

Разработка прикладного программного обеспечения для АСУ ТП

Приступая к разработке специализированного прикладного программного обеспечения (ППО) для создания системы контроля и управления, системный интегратор или конечный пользователь обычно выбирает один из следующих путей:

·       Программирование с использованием "традиционных" средств (традиционные языки программирования, стандартные средства отладки и пр.)

·       Использование существующих, готовых - COTS (Commercial Of The Shelf) - инструментальных проблемно-ориентированных средств.

Для большинства выбор уже очевиден. Процесс разработки ППО важно упростить, сократить временные и прямые финансовые затраты на разработку ППО, минимизировать затраты труда высококлассных программистов, по возможности привлекая к разработке специалистов-технологов в области автоматизируемых процессов. При такой постановке задачи второй путь может оказаться более предпочтительным.

Для сложных распределенных систем процесс разработки собственного ППО с использованием "традиционных" средств может стать недопустимо длительным, а затраты на его разработку неоправданно высокими. Вариант с непосредственным программированием относительно привлекателен лишь для простых систем или небольших фрагментов большой системы, для которых нет стандартных решений (не написан, например, подходящий драйвер) или они не устраивают по тем или иным причинам в принципе.

Этапы разработки систем управления с помощью SCADA–систем

·       Разработка архитектуры системы автоматизации в целом. На этом этапе определяется функциональное назначение каждого узла системы автоматизации.

·       Решение вопросов, связанных с возможной поддержкой распределенной архитектуры, необходимостью введения узлов с "горячим резервированием" и т.п.

·       Создание прикладной системы управления для каждого узла. На этом этапе специалист в области автоматизируемых процессов наполняет узлы архитектуры алгоритмами, совокупность которых позволяет решать задачи автоматизации.

·       Согласование параметров прикладной системы с информацией, которой обмениваются устройства нижнего уровня (например, программируемые логические контроллеры - ПЛК) с внешним миром (датчики технологических параметров, исполнительные устройства и др.)

·       Отладка созданной прикладной программы в режиме эмуляции.