Архитектурное построение SCADA-систем.
Технического обеспечения (ТО),
Программного (ПО),
Математическим,
Информационного (ИО),
Метрологическим,
Лингвистическим,
Организационного (ОО).
Оперативного персонала
- техническое обеспечение, которое включает вычислительные и управляющие устройства, средства получения информации (датчики), средства преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительные устройства;
- программное обеспечение, состоящее из совокупности программ, необходимых для реализации функций АСУТП и обеспечения заданного функционирования комплекса технических средств;
- информационное обеспечение включает информацию, характеризующую состояние системы управления, системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, массивы данных и документов, необходимых для выполнения функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию;
- математическое обеспечение ;
- организационное обеспечение представляет собой совокупность описаний функциональных, технических и организационных структур, а также инструкций для оперативного персонала; данная совокупность должна обеспечить надлежащее функционирование перечисленных структур;
- метрологическое обеспечение ;
- оперативный персонал - это технологи-операторы, осуществляющие контроль и управление системой;
- эксплуатационный персонал – это персонал, обеспечивающий эксплуатацию системы.
|
|
|
Ремонтный персонал в состав АСУТП не входит.
Техническое обеспечение включает весь комплекс технических средств: датчики, преобразователи, средства вычислительной техники, вторичные приборы и регуляторы, исполнительные механизмы и т.д., достаточный для функционирования АСУТП.
Основой комплекса технических средств современных АСУТП служат микропроцессорные средства и компьютеры. Условно их можно разделить на
· аппаратные,
· программно-аппаратные и
· программируемые.
К аппаратным средствам относятся микропроцессорные устройства с жесткой логикой, которая реализуется программами, записанными в постоянном запоминающем устройстве. Их целесообразно применять в тех случаях, когда система выполняет простые типовые функции (сбор данных, одноконтурное цифровое регулирование, представление данных, индикация, сигнализация, первичная переработка информации, программное логическое управление и т.п.), число обслуживаемых входов и выходов невелико (до 50), изменение системы не ожидается, емкость запоминающих устройств невелика, а заданное быстродействие высокое. В состав аппаратных средств входят микропроцессор или интегральные микросхемы общего назначения, память, таймер, коммутатор, простейшие устройства для перехода от автоматического режима к ручному и обратно. На их базе создаются отдельные преобразователи, приборы, регуляторы, программно-логические контроллеры и т.п.
|
|
|
При переходе от традиционных аналоговых средств автоматизации к микропроцессорной технике, как правило, повышается точность, расширяются функциональные возможности и увеличивается гибкость систем управления. Например, микропроцессорные регистрирующие приборы не только регистрируют текущее значение параметров, но и отклонение их от нормы, индицируют текущее значение в цифровом виде, рассчитывают среднее значение за заданный промежуток времени.
Программно-аппаратные средства строятся на базе микропроцессорных контроллеров и компьютеров. Они ориентированы на решение конкретных задач АСУТП и предназначены для реализации многоконтурного цифрового регулирования, программно-логического управления, сбора, обработки и контроля параметров , с большим числом входов и выходов.
Преимущества программно-аппаратных средств: высокая надежность, компактность, универсальность, экономичность, простота ввода управляющей программы, устойчивость к внешним воздействиям
|
|
|
Комплексом технических средств (КТС) называют совокупность управляющих устройств, устройств передачи сигналов и данных, датчиков сигналов и исполнительных устройств, обеспечивающих выполнение функций АСУ ТП. КТС включает структурные элементы сбора и передачи информации, входящие в информационное обеспечение АСУ ТП.
Схемы КТС АСУ ТП (в зависимости от особенностей ОУ) могут быть с прямым или непрямым взаимодействием информационно-вычислительного (ИВК) или управляющего вычислительного комплекса (УВК) с ОУ.
В свою очередь КТС непрямого взаимодействия бывают с управлением объектом непосредственно оператором (схема разомкнутого управления) или с управлением через локальные средства регулирования и управления (схема комбинированного управления). КТС прямого взаимодействия в зависимости от состава УВК подразделяются на КТС прямого цифрового и КТС прямого аналого-цифрового (гибридного) управления.
Структурные схемы КТС АСУ ТП приведены на рис. 2.
КТС АСУ ТП состоит из следующих основных групп технических средств:
|
|
|
1) устройства получения информации о режимах технологического процесса, оборудования, собственно КТС (датчики сигналов физических величин, устройства ручного ввода сигналов);
2) устройства формирования сигналов и обслуживания каналов передачи информации – преобразователи вида, формы и уровня сигналов, коммутаторы сигналов (мультиплексоры);
3) устройства локальной автоматики – регуляторы, командо-аппараты, интерполяторы, усилители-преобразователи командных сигналов, исполнительные устройства;
4) средства вычислительной техники – устройства переработки информации (серийные цифровые и аналоговые вычислительные машины и решающие устройства, специализированные счетные и решающие устройства), устройства ввода и вывода программ и информации, устройства передачи данных (организации каналов сопряжения вычислительных средств), запоминающие устройства;
5) устройства связи с объектом (УСО) – преобразователи сигналов контроля и управления, коммутаторы сигналов, адаптеры различного назначения, телемеханические устройства;
6) устройства связи с оперативным персоналом – индикаторы, сигнализаторы, регистраторы, щиты комплексного контроля (мнемосхемы), пульты управления.
Современные агрегатируемые технические средства автоматики и вычислительной техники позволяют создавать КТС АСУ ТП преимущественно проектным путем и расширять возможности КТС, наращивая номенклатуру и число устройств без реконструкции структуры АСУ ТП
Программное обеспечение (ПО) – совокупность программ и эксплуатационной программной документации, необходимых для реализации функций АСУТП и заданного режима функционирования контроллеров и компьютеров. Его разделяют на общее и специальное ПО.
Программное обеспечение (ПО) реализует алгоритмы функционирования и делится на стандартное (СПО) и прикладное (ППО).
СПО является составной частью технической документации вычислительных комплексов и включает организующие и диспетчерские программы, транслирующие программы, программы работы УСО, программы редактирования тестов, программы отладки и диагностики, библиотеки стандартных программ. ППО разрабатывается специально для данной АСУ ТП и обеспечивает выполнение ее специфических функций
Общее программное обеспечение поставляется в комплекте с вычислительной техникой и представляет собой совокупность операционной системы, системы управления базой данных, организующих, служебных и транслирующих программ, программ отладки и диагностики, библиотеки стандартных программ. Оно обеспечивает нормальную работу комплекса технических средств АСУТП.
Специальное программное обеспечение – это совокупность программ, реализующих информационные и управляющие функции конкретной АСУТП (выполняется так называемое технологическое программирование). Оно разрабатывается на базе и с использованием общего ПО.
Несмотря на существенные различия технологических объектов, в программах управления ими имеется много общего. Это позволяет разрабатывать для большей части функций управления типовые пакеты прикладных программ (SCADA-системы), которые сравнительно просто адаптируются под конкретные технологические объекты. Эти SCADA-системы (наиболее известными являются TraceMode, Genesis, MIKSYS) выполняют первичную обработку информации, расчет технико-экономических показателей, пуск и останов электрооборудования, регулирование и т.д.
Наиболее сложной задачей при разработке программного обеспечения является создание программ оптимального управления технологическим объектом. Успешное решение ее возможно лишь при наличии адекватной математической и информационной модели.
Математическое обеспечение представляет собой комплекс математических методов, моделей и алгоритмов; включает описание алгоритмов реализации отдельных функций и общего алгоритма функционирования АСУ ТП . На его основе разрабатывается программное обеспечение.
Информационное обеспечение – совокупность сведений о потоках и массивах информации, характеризующих состояние технологического процесса. Оно включает перечень и характеристики сигналов о технологическом объекте и системе управления; описание систем классификации и кодирования технической и технико-экономической информации; описание массивов информации, форм документов и видеоизображения, используемых в системе; описание нормативно-справочной информации, используемой в системе. Информационное обеспечение должно обеспечивать полноту, непротиворечивость, отсутствие избыточности и дублирования информации, необходимой для реализации функций
Информационное обеспечение АСУТП включает:
•информацию, характеризующую состояние автоматизированного технологического комплекса;
•системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации;
•массивы данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию.
Метрологическое обеспечение – совокупность работ, проектных решений, технических и программных средств, а также организационных мероприятий, направленных на обеспечение заданной точности измерений. Метрологическое обеспечение проводится для АСУТП и линий связи на всех стадиях создания и функционирования АСУТП. На стадии разработки АСУТП должны обеспечиваться единство измерений и их точность для заданных условий эксплуатации за счет выбора определенных технических средств, а также их резервирования. Программными решениями должны обеспечиваться фильтрация измеряемых значений параметров и выбор достоверных значений. На стадии эксплуатации АСУТП метрологические службы предприятия проводят анализ состояния метрологического обеспечения и разработку мероприятий по повышению уровня и совершенствованию средств измерений, контроля и испытаний; осуществляют метрологическую аттестацию заданных средств измерений; организуют поверку средств автоматизации; проводят метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации.
Лингвистическое обеспечение - это описание языковых средств общения оперативного технологического персонала с УВК.
Для описания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления.
Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в виде стандарта IEC , где определены пять языков программирования контроллеров:
· SFC последовательных функциональных схем,
· LD релейных диаграмм,
· FBD функциональных блоковых диаграмм,
· ST структурированного текста,
· IL инструкций.
Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода.
В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт: ACCON Prosys 1131 (фирма DeltaLogic), Open DK (фирма infoteam Software GmbH), Multiprog (фирма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation Controls) и др.
Наиболее известной реализацией этого стандарта является пакет ISaGRAF фирмы CJ International, включающий систему разработки (WorkBench) и систему исполнения (Target). Если первая используется для создания, моделирования, тестирования и документирования прикладных программ, исполняемых под управлением ядра ISaGRAF, то вторая загружается извне либо записывается в ПЗУ. По данным организации PLCopen, в настоящее время программа, созданная с помощью ISaGRAF, может быть загружена и исполнена на процессорах Intel и Motorola под управлением операционных систем DOS, OS 9, QNX, irmx, Lynx, psos, OS 9000, VMEexec, VRTX, VxWorks, Windows NT. Основными достоинствами ISaGRAF являются простой, интуитивно понятный для технолога графический интерфейс, встроенные средства отладки, моделирования, тестирования и документирования программ, поддержка промышленных сетей (Profibus, Modbus).
Пример реализации контроллеров.
В качестве примера контроллера, построенного на базе концепции открытых систем рассмотрим контроллер CS104 фирмы Steinhoff. Это компактный, модульный и PC совместимый компьютер, который может комплектоваться оборудованием любой фирмы, поставляющей платы в формате PC/104, в том числе платы ввода-вывода, жесткие или гибкие диски, PC карты, флэш-память и т. д. Базовый комплект контроллера фирмы Steinhoff: процессорный модуль, включающий сам процессор, 4 Мбайт динамическое ОЗУ, интерфейсы для клавиатуры, мыши, два последовательных и один параллельный порт, IDE/FDD, 128 Kбайт флэш памяти, таймер реального времени, сторожевой таймер, Ethernet. Для ОС QNX обеспечивается удаленная загрузка по сети. По усмотрению пользователя контроллер CS104 может быть укомплектован одним из следующих интерфейсов для промышленных сетей: Profibus, CAN, InterBus S, LonWorks, II/O Lightbus, к каждому из которых поставляются драйверы, работающие в QNX. Для технологического программирования используется пакет ISaGRAF с исполнительной системой для ОС QNX. Такая архитектура ПО позволяет на работающей системе осуществлять удаленное программирование (на технологических языках IL, ST, FB, SFC, LD) и отладку в защищенном режиме элементов приложения, обслуживающих отдельные 32 разрядные задачи рабочего процесса, что гарантирует высокую надежность работы системы в целом.
Взаимодействие со SCADA системами обеспечивают драйверы для нескольких пакетов, таких как RealFlex, Sitex и др. Таким образом, контроллер CS104 позволяет построить систему АСУ ТП с использованием стандартных компонентов, обладающую модульностью и масштабируемостью, т.е. в полной мере соответствующую концепции открытых систем.
SCADA-системы
· Программные средства верхнего уровня АСУТП (SCADA-пакеты) предназначены для создания прикладного программного обеспечения пультов контроля и управления, реализуемых на различных компьютерных платформах и специализированных рабочих станциях. SCADA - пакеты позволяют при минимальной доле программирования на простых языковых средствах разрабатывать многофункциональный интерфейс, обеспечивающий оператора/диспетчера не только полной информацией о технологическом процессе, но и возможностью им управлять.
В своем развитии SCADA - пакеты прошли тот же путь, что и программное обеспечение для программирования контроллеров. На начальном этапе (80-е годы) фирмы-разработчики аппаратных средств создавали собственные (закрытые) SCADA-системы, способные взаимодействовать только со «своей» аппаратурой. Начиная с 90-х годов, появились универсальные (открытые) SCADA - программы.
Понятие открытости является фундаментальным, когда речь идет о программно-аппаратных средствах для построения многоуровневых систем автоматизации. Более подробно об этом будет сказано ниже.
Сейчас на российском рынке присутствует несколько десятков открытых SCADA-пакетов, обладающих практически одинаковыми функциональными возможностями. Но это совсем не означает, что любой из них можно с одинаковыми усилиями (временными и финансовыми) успешно адаптировать к той или иной системе управления, особенно, если речь идет о ее модернизации. Каждый SCADA-пакет является по-своему уникальным, и его выбор для конкретной системы автоматизации, обсуждаемый на страницах специальной периодической прессы почти на протяжении последних десяти лет, по-прежнему остается актуальным.
Ниже приведен перечень наиболее популярных в России и Казахстане SCADA-пакетов.
· Trace Mode/ТрейсМоуд (AdAstrA) - Россия;
· InTouch (Wonderware) - США;
· FIX (Intellution ) - США;
· Genesis (IconicsCo) - США;
· Factory Link (United States Data Co) - США;
· RealFlex (BJ Software Systems) - США;
· Sitex (JadeSoftware) - Великобритания;
· Citect (CI Technology) - Австралия;
· WinCC (Siemens) - Германия;
· RTWin (SWD Real Time Systems) - Россия;
· САРГОН (НВТ - Автоматика) - Россия;
· MIK$Sys (МИФИ) - Россия;
· Cimplicity (GE Fanuc) - США;
· RSView (RockwellAutomation) - США и многие другие.
Последовательность представления пакетов в приведенном выше перечне в достаточной степени случайна. Констатируется лишь сам факт существования той или иной системы. Предлагается исходить из предпосылки, что SCADA-пакет существует, если с помощью него уже реализовано хотя бы несколько десятков проектов. Вторая предпосылка - нет абсолютно лучшей SCADA-системы для всех случаев применения. SCADA - это всего лишь удобный инструмент в руках разработчика, и ее адаптация к конкретной системе автоматизации - вопрос квалификации и опыта.
Основные функции SCADA-систем. Программное обеспечение типа SCADA предназначено для разработки и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами. Резонно задать вопрос: а что же все-таки первично – разработка или эксплуатация? И ответ в данном случае однозначен – первичным является эффективный человеко-машинный интерфейс (HMI), ориентированный на пользователя, т. е. на оперативный персонал, роль которого в управлении является определяющей. SCADA – это новый подход к проблемам человеческого фактора в системах управления (сверху вниз), ориентация в первую очередь на человека (оператора/диспетчера), его задачи и реализуемые им функции.
Такой подход позволил минимизировать участие операторов/диспетчеров в управлении процессом, но оставил за ними право принятия решения в особых ситуациях.
А что дала SCADA-система разработчикам? С появлением SCADA они получили в руки эффективный инструмент для проектирования систем управления, к преимуществам которого можно отнести:
· высокую степень автоматизации процесса разработки системы управления;
· участие в разработке специалистов в области автоматизируемых процессов (программирование без программирования);
· реальное сокращение временных, а, следовательно, и финансовых затрат на разработку систем управления.
Прежде, чем говорить о функциональных возможностях ПО SCADA, предлагается взглянуть на функциональные обязанности самих операторов/диспетчеров. Каковы же эти обязанности? Следует сразу отметить, что функциональные обязанности операторов/диспетчеров конкретных технологических процессов и производств могут быть существенно разными, да и сами понятия «оператор» и «диспетчер» далеко не равнозначны. Тем не менее, среди многообразия этих обязанностей оказалось возможным найти общие, присущие данной категории работников:
· регистрация значений основных технологических и хозрасчетных параметров;
· анализ полученных данных и их сопоставление со сменно-суточными заданиями и календарными планами;
· учет и регистрация причин нарушений хода технологического процесса;
· ведение журналов, составление оперативных рапортов, отчетов и других документов;
· предоставление данных о ходе технологического процесса и состоянии оборудования в вышестоящие службы и т. д.
Раньше в операторной (диспетчерской) находился щит управления (отсюда - щитовая). Для установок и технологических процессов с несколькими сотнями параметров контроля и регулирования длина щита могла достигать нескольких десятков метров, а количество приборов на них измерялось многими десятками, а иногда и сотнями. Среди этих приборов были и показывающие (шкала и указатель), и самопишущие (кроме шкалы и указателя еще и диаграммная бумага с пером), и сигнализирующие. В определенное время оператор, обходя щит, записывал показания приборов в журнал. Так решалась задача сбора и регистрации информации.
В приборах, обслуживающих регулируемые параметры, имелись устройства для настройки задания регулятору и для перехода с автоматического режима управления на ручное (дистанционное). Здесь же, рядом с приборами, находились многочисленные кнопки, тумблеры и рубильники для включения и отключения различного технологического оборудования. Таким образом решались задачи дистанционного управления технологическими параметрами и оборудованием.
Над щитом управления (как правило, на стене) находилась мнемосхема технологического процесса с изображенными на ней технологическими аппаратами, материальными потоками и многочисленными лампами сигнализации зеленого, желтого и красного (аварийного) цвета. Эти лампы начинали мигать при возникновении нештатной ситуации. В особо опасных ситуациях предусматривалась возможность подачи звукового сигнала (сирена) для быстрого предупреждения всего оперативного персонала. Так решались задачи, связанные с сигнализацией нарушений технологического регламента (отклонений текущих значений технологических параметров от заданных, отказа оборудования).
С появлением в операторной/диспетчерской компьютеров было естественным часть функций, связанных со сбором, регистрацией, обработкой и отображением информации, определением нештатных (аварийных) ситуаций, ведением документации, отчетов, переложить на компьютеры. Еще во времена первых управляющих вычислительных машин с монохромными алфавитно-цифровыми дисплеями на этих дисплеях усилиями энтузиастов-разработчиков уже создавались «псевдографические» изображения - прообраз современной графики. Уже тогда системы обеспечивали сбор, обработку, отображение информации, ввод команд и данных оператором, архивирование и протоколирование хода процесса.
Хотелось бы отметить, что с появлением современных программно-технических средств автоматизации, рабочих станций операторов/диспетчеров, функционирующих на базе программного обеспечения SCADA, щиты управления и настенные мнемосхемы не канули безвозвратно в лету. Там, где это продиктовано целесообразностью, щиты и пульты управления остаются, но становятся более компактными.
Появление УВМ, а затем и персональных компьютеров вовлекло в процесс создания операторского интерфейса программистов. Они хорошо владеют компьютером, языками программирования и способны писать сложные программы. Для этого программисту нужен лишь алгоритм (формализованная схема решения задачи). Но беда в том, что программист, как правило, не владеет технологией, не «понимает» технологического процесса. Поэтому для разработки алгоритмов надо было привлекать специалистов-технологов, например, инженеров по автоматизации.
Выход из этой ситуации был найден в создании методов «программирования без реального программирования», доступных для понимания не только программисту, но и инженеру-технологу. В результате появились программные пакеты для создания интерфейса «человек-машина» (Man/HumainMachineInterface, MMI/HMI). За рубежом это программное обеспечение получило название SCADA (SupervisoryControlAndDataAcquisition – супервизорное/диспетчерское управление и сбор данных), так как предназначалось для разработки и функциональной поддержки АРМов операторов/диспетчеров в АСУТП. А в середине 90-х аббревиатура SCADA (СКАДА) уверенно появилась и в лексиконе российских специалистов по автоматизации.
Оказалось, что большинство задач, стоящих перед создателями программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП различных отраслей промышленности, достаточно легко поддается унификации, потому что функции оператора/диспетчера практически любого производства достаточно унифицированы и легко поддаются формализации.
Таким образом, базовый набор функций SCADA-систем предопределен ролью этого программного обеспечения в системах управления (HMI) и реализован практически во всех пакетах. Это:
· сбор информации с устройств нижнего уровня (датчиков, контроллеров);
· прием и передача команд оператора/диспетчера на контроллеры и исполнительные устройства (дистанционное управление объектами);
· сетевое взаимодействие с информационной системой предприятия (с вышестоящими службами);
· отображение параметров технологического процесса и состояния оборудования с помощью мнемосхем, таблиц, графиков и т.п. в удобной для восприятия форме;
· оповещение эксплуатационного персонала об аварийных ситуациях и событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.
· хранение полученной информации в архивах;
· представление текущих и накопленных (архивных) данных в виде графиков (тренды);
· вторичная обработка информации;
· формирование сводок и других отчетных документов по созданным на этапе проектирования шаблонам.
К интерфейсу, созданному на базе программного обеспечения SCADA, предъявляется несколько фундаментальных требований:
· он должен быть интуитивно понятен и удобен для оператора/диспетчера;
· единичная ошибка оператора не должна вызывать выдачу ложной команды управления на объект.
Архитектурное построение SCADA-систем.
На начальном этапе развития (80-е годы) каждый производитель микропроцессорных систем управления разрабатывал своюсобственную SCADA-программу. Такие программы могли взаимодействовать только с узким кругом контроллеров, и по всем параметрам были закрытыми (отсутствие набора драйверов для работы с устройствами различных производителей и средств их создания, отсутствие стандартных механизмов взаимодействия с другими программными продуктами и т. д.).
C появлением концепции открытых систем (начало 90-х) программные средства для операторских станций становятся самостоятельным продуктом.
Одной из первых задач, поставленных перед разработчиками SCADA, стала задача организации многопользовательских систем управления, то есть систем, способных поддерживать достаточно большое количество АРМ пользователей (клиентов). В результате появилась клиент - серверная технология или архитектура. Клиент - серверная архитектура характеризуется наличием двух взаимодействующих самостоятельных процессов - клиента и сервера, которые, в общем случае, могут выполняться на разных компьютерах, обмениваясь данными по сети. По такой схеме могут быть построены системы управления технологическими процессами, системы обработки данных на основе СУБД и т. п.
Клиент-серверная архитектура предполагает(см. рисунок 5.3), что вся информация о технологическом процессе от контроллеров собирается и обрабатывается на сервере ввода/вывода (сервер базы данных), к которому по сети подключаются АРМ клиентов.
Рисунок 5.3 - Клиент-серверная архитектура
Под станцией-сервером в этой архитектуре следует понимать компьютер со специальным программным обеспечением для сбора и хранения данных и последующей их передачи по каналам связи оперативному персоналу для контроля и управления технологическим процессом, а также всем заинтересованным специалистам и руководителям. По определению сервер является поставщиком информации, а клиент – ее потребителем. Таким образом, рабочие станции операторов/диспетчеров, специалистов, руководителей являются станциями-клиентами. Обычно клиентом служит настольный ПК, выполняющий программное обеспечение конечного пользователя. ПО клиента - это любая прикладная программа или пакет, способные направлять запросы по сети серверу и обрабатывать получаемую в ответ информацию. Естественно, функции клиентских станций, а, следовательно, и программное обеспечение, различны и определяются функциями рабочего места, которое они обеспечивают.
Количество операторских станций, серверов ввода/вывода (серверов БД) определяется на стадии проектирования и зависит, прежде всего, от объема перерабатываемой в системе информации. Для небольших систем управления функции сервера ввода/вывода и станции оператора (HMI) могут быть совмещены на одном компьютере.
В сетевых распределенных системах средствами SCADA/HMI стало возможным создавать станции (узлы) различного функционального назначения: станции операторов/диспетчеров, серверы с функциями HMI, “слепые” серверы (без функций HMI), станции мониторинга (только просмотр без прав на управление) для специалистов и руководителей и другие.
SCADA-программы имеют в своем составе два взаимозависимых модуля: Development (среда разработки проекта) и Runtime (среда исполнения). В целях снижения стоимости проекта эти модули могут устанавливаться на разные компьютеры. Например, станции оператора, как правило, являются узлами Runtime (или View) с полным набором функций человеко-машинного интерфейса. При этом хотя бы один компьютер в сети должен быть типа Development. На таких узлах проект разрабатывается, корректируется, а также может и исполняться. Некоторые SCADA-системы допускают внесение изменений в проект без остановки работы всей системы. Программное обеспечение SCADA-серверов позволяет создавать полный проект системы управления, включая базу данных и HMI.
Важным аспектом в структурном построении сетевых систем управления является структура базы данных реального времени (централизованная или распределенная). Каждая из структур в SCADA/HMI-системах реализуется разными разработчиками по-разному. От реализации существенно зависят эффективность обеспечения единства и целостности базы данных, ее надежность, возможности модификации и т.д.
В одних случаях для доступа к данным на компьютере-клиенте создается «своя» база данных, копируемая с удаленных серверов. Дублирование данных может привести к определенным проблемам с точки зрения целостности базы данных и производительности системы управления. При модификации базы данных с такой организацией, например, при введении дополнительной переменной потребуются изменения в каждой сетевой копии, использующей эту переменную.
В других случаях компьютерам-клиентам не требуются копии баз данных. Они получают необходимую им информацию по сети от сервера, в задачу которого входит подержание базы данных. Серверов может быть несколько, и любая часть данных хранится только в одном месте, на одном сервере. Поэтому и модификация базы данных производится только на одном компьютере – сервере базы данных, что обеспечивает ее единство и целостность. Такой подход к структурному построению системы снижает нагрузку на сеть и дает еще целый ряд преимуществ.
С точки зрения структурного построения SCADA-пакетов различают:
· системы, обеспечивающие полный набор базовых функций HMI;
· системы, состоящие из модулей, реализующих отдельные функции HMI.
Системы, обеспечивающие полный набор базовых функций, могут комплектоваться дополнительными опциями, реализующими необязательные в применении функции контроля и управления (см. рисунок 5.4).
Рисунок 5.4 - Архитектура модульной SCADA
Во втором случае система создается полностью модульной (сервер ввода/вывода, сервер алармов, сервер трендов, и т.д.). Для небольших проектов все модули могут исполняться на одном компьютере. В проектах с большим количеством переменных модули можно распределить на несколько компьютеров в разных сочетаниях. Вариант клиент-серверной архитектуры такой системы представлен на рисунке 5.4.
В клиент-серверной архитектуре системы управления, представленной на рисунке 5.4, функции сбора и хранения данных, управления алармами и трендами распределены между тремя серверами. Функция HMI реализуется на станциях-клиентах.
Например, SCADACitect имеет в своем составе пять функциональных модулей (серверов или клиентов):
§ I/O - сервер ввода/вывода. Обеспечивает передачу данных между физическими устройствами ввода/вывода и другими модулями Citect.
§ Display - клиент визуализации. Обеспечивает операторский интерфейс: отображение данных, поступающих от других модулей Citect, и управление выполнением команд оператора.
§ Alarms - сервер алармов. Отслеживает данные, сравнивает их с допустимыми пределами, проверяет выполнение заданных условий и отображает алармы на соответствующем узле визуализации.
§ Trends - сервер трендов. Собирает и регистрирует трендовую информацию, позволяя отображать развитие процесса в реальном масштабе времени или в ретроспективе.
§ Reports - сервер отчетов. Генерирует отчеты по истечении определенного времени, при возникновении определенного события или по запросу оператора.
В одной сети можно использовать только один сервер алармов, сервер трендов и сервер отчетов. В то же время допускается использование нескольких серверов ввода/вывода (I/O Server). Количество компьютеров с установленным модулем Display(обеспечивающим операторский интерфейс) в сети практически не ограничено.
SCADA как открытая система. Распространение архитектуры «клиент-сервер» стало возможным благодаря развитию и широкому внедрению в практику концепции открытых систем (см. рисунок 5.5). Главной причиной появления и развития концепции открытых систем явились проблемы взаимодействия программно-аппаратных средств в локальных компьютерных сетях. Решить эти проблемы можно было только путем международной стандартизации программных и аппаратных интерфейсов.
Рисунок 5.5 - Интеграция SCADA в систему управления
Концепция открытых систем предполагает свободное взаимодействие программных средств SCADA с программно-техническими средствами разных производителей. Это актуально, так как для современных систем автоматизации характерна высокая степень интеграции большого количества компонент. В системе автоматизации кроме объекта управления задействован целый комплекс программно-аппаратных средств: датчики и исполнительные устройства, контроллеры, серверы баз данных, рабочие места операторов, АРМы специалистов и руководителей и т. д. (рисунок 5.5). При этом в одной системе могут быть применены технические средства разных производителей.
Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого взаимодействия.
Реализация этой задачи требует от SCADA-системы наличия типовых протоколов обмена с наиболее популярными промышленными сетями, такими, как Profibus, ControlNet, Modbus и другими. С другой стороны, SCADA-системы должны поддерживать интерфейс и со стандартными информационными сетями (Ethernet и др.) с использованием стандартных протоколов (TCP/IP и др.) для обмена данными с компонентами распределенной системы управления.
Практически любая SCADA-система имеет в своем составе базу данных реального времени и подсистему архивирования данных. Но подсистема архивирования не предназначена для длительного хранения больших массивов информации (месяцы и годы). Информация в ней периодически обновляется, иначе для нее просто не хватит места. Рассматриваемый здесь класс программного обеспечения (SCADA - системы) предназначен для обеспечения текущей и архивной информацией оперативного персонала, ответственного за непосредственное управление технологическим процессом.
Информация, отражающая хозяйственную деятельность предприятия (данные для составления материальных балансов установок, производств, предприятия в целом и т. п.), хранится в реляционных базах данных (РБД) типа Oracle, Sybase и т. д. В эти базы данных информация поставляется либо с помощью ручного ввода, либо автоматизированным способом (посредством SCADA-систем). Таким образом, выдвигается еще одно требование к программному обеспечению SCADA - наличие в их составе протоколов обмена с типовыми базами данных.
Наиболее широко применимы два механизма обмена:
· ODBC (OpenDataBaseConnectivity - взаимодействие с открытыми базами данных) – международный стандарт, предполагающий обмен информацией с РБД посредством ODBC-драйверов. Как стандартный протокол компании Microsoft, ODBC поддерживается и наиболее распространенными приложениями Windows;
· SQL (StructuredQueryLanguage) – язык структурированных запросов.
Программное обеспечение SCADA должно взаимодействовать с контроллерами для обеспечения человеко-машинного интерфейса с системой управления (рисунок 5.5). К контроллерам через модули ввода/вывода подключены датчики технологических параметров и исполнительные устройства (на рисунке 5.5 не показаны).
Информация с датчика записывается в регистр контроллера. Для ее передачи в базу данных SCADA-сервера необходима специальная программа, называемая драйвером. Драйвер, установленный на сервере, обеспечивает обмен данными с контроллером по некоторому физическому каналу. Но для реализации обмена необходим и логический протокол.
После приема SCADA-сервером сигнал попадает в базу данных, где производится его обработка и хранение. Для отображения значения сигнала на мониторе рабочей станции оператора информация с сервера должна быть передана по сети клиентскому компьютеру. И только после этого оператор получит информацию, отображенную изменением значения, цвета, размера, положения и т. п. соответствующего объекта операторского интерфейса.
Большое количество контроллеров с разными программно- аппаратными платформами и постоянное увеличение их числа заставляло разработчиков включать в состав SCADA-системы большое количество готовых драйверов (до нескольких сотен) и инструментарий для разработки собственных драйверов к новым или нестандартным устройствам нижнего уровня.
Организация доступа к SCADA-приложениям. SCADA-приложения, по определению, являются потребителями технологических данных, но, с другой стороны, они должны быть и их источником. Информация со SCADA-приложений потребляется многочисленными клиентами (прежде всего, специалистами и руководителями среднего звена).
Для автоматизированного доступа к информации реального времени с любого рабочего места необходимо установить компьютер, подключенный к локальной сети. Организованное таким образом автоматизированное рабочее место (АРМ) предназначено для реализации вполне определенных функций. Поэтому программное обеспечение компьютера (системное и прикладное) должно обеспечить соответствующий данному АРМ набор пользовательских услуг. К их числу можно отнести:
· объем предоставляемой информации;
· форма представления информации;
· реализуемые функции (только информационные или с возможностью выдачи управляющих воздействий);
· протяженность и надежность канала связи «источник-потребитель»;
· простота освоения пользователем и т.д.
В периодической прессе последних лет за системным и прикладным программным обеспечением, которое необходимо компьютеру АРМ для получения удаленного доступа к производственной информации, закрепился термин «клиентское приложение». Клиентские приложения различного типа могут предоставлять информацию в любом объеме и приемлемом для пользователя виде.
Клиент-серверная организация SCADA-систем предполагает применение клиентских приложений двух типов: c возможностью передачи управляющих воздействий с клиентского приложения и чисто мониторинговые приложения. Пользователю необходимо лишь определить достаточный набор услуг.
Но за услуги, как известно, надо платить. Поэтому весьма существенным критерием при организации клиентского узла (АРМ) является его стоимость (аппаратное и программное обеспечение).
В настоящее время существует несколько решений поставленной задачи, базирующихся на применении различных технологий. Но и стоимость предлагаемых решений тоже различна. Отсюда и появились такие понятия, как «бедные/богатые и тонкие/толстые клиенты».
Рисунок 5.6 - Организация доступа к информации через локальную сеть.
Самыми простыми и распространенными клиентскими приложениями в настоящее время являются клиенты в локальной сети (рисунок 5.6). Такие клиентские приложения в SCADA-системах традиционно объединяются с серверными приложениями протоколами локальных сетей. Часто таким протоколом является TCP/IP.
Большинство современных SCADA-пакетов работает на платформах Windows. Отсюда следует, что для организации АРМ потребуется компьютер достаточно хорошей конфигурации и лицензионное программное обеспечение SCADA. Когда речь идет об организации большого количества автоматизированных рабочих мест на базе программного обеспечения SCADA, то такое решение может оказаться дорогостоящим («богатые» клиенты). К тому же, большинство пользователей SCADA-приложений, в отличие от операторов/диспетчеров, относится к категории нерегулярных, т. е. подключается к системе периодически по мере необходимости.
Технология сервер/терминал. Постоянное появление новых версий программного обеспечения, предъявляющих все более высокие требования к производительности клиентских ПК, привело к тому, что некоторые компании-разработчики программного обеспечения решили разработать технологию, которая бы обеспечила выполнение всех высокопроизводительных вычислений на сервере, оставляя клиентским компьютерам роль терминалов. Наиболее удачные решения предложили корпорация Microsoft (Windows 2000 TerminalServices) и компания Citrix (Metaframe). ПО Metaframe - это дополнение к Windows 2000 TerminalServices, которое дает возможность использовать на клиентских компьютерах операционные системы, отличные от Windows, например, Linux или Macintosh.
Технология сервер/терминал поддерживает режим клиентских сессий, когда один сервер обслуживает несколько клиентов, функционирующих независимо друг от друга. При этом каждый терминал получает свой ресурс: память, время центрального процессора, доступ к дискам сервера и приложениям. Когда клиент запускается, терминальный сервер регистрирует его, предоставляя доступ к ресурсам сервера. WindowsTerminalServer создает виртуальный дисплей, изображение которого отображается на локальном мониторе. Операции ввода, активизируемые клиентом с клавиатуры и мыши, обслуживаются сервером. Добавление нового клиента заключается лишь в подключении нового терминала к сети.
Терминальные пользователи имеют доступ к данным, мнемосхемам, трендам, алармам с возможностью обмена информацией в реальном времени без необходимости установки SCADA-системы на локальном компьютере (терминале). Таким образом, речь идет о технологиях терминального доступа с использованием так называемых «тонких» клиентов.
Терминал может играть роль как станции оператора/диспетчера, так и АРМ нерегулярных пользователей (технологов, специалистов службы КИП и т. п.), которые могут иметь доступ к необходимой оперативной информации о технологическом процессе и оборудовании (рисунок 5.7).
Для организации взаимодействия между сервером и терминалом/клиентом используются стандартные протоколы:
· дляОС Windows - Microsoft RDP (Remote Desktop Protocol);
· дляОС Linux/CE - Citrix ICA (Independent Computing Architecture).
Рисунок 5.7 - Архитектура терминал-сервер
При работе в терминальном режиме вся обработка информации производится на сервере. Его конфигурация зависит от установленных на сервере приложений и от количества обслуживаемых им терминалов. При обработке высокоскоростных приложений для большого количества терминалов (десятки) может потребоваться достаточно дорогостоящий сервер (большая оперативная память).
Используя новые архитектурные возможности, компании-разработчики SCADA-систем стали предлагать терминальные сервисы, поддерживающие выполнение SCADA-приложений в режиме сессии. Компания Wonderware внедрила терминал-серверную технологию для SCADA-системы InTouch версии 7.1. Появление версий iFIX (Intellution/GE Fanuc), поддерживающих ОС Windows 2000, открыло возможность применения ПО iClientTerminalServer для поддержки многосеансовой работы «тонких» клиентов. Не отстали и другие ведущие производители SCADA-продуктов.
Internet/Intranet- технологии. Очевидным плюсом сети Internet является ее уникальная протяженность и распределенность, что позволяет передавать информацию через тысячи километров между любыми двумя точками земного шара. Кроме этого, сеть отличается уникальной стандартизацией передаваемых данных, что обеспечивает одинаковую читаемость, информативность и однозначность передаваемых данных вне зависимости от операционной системы, в которой работает компьютер. Эту возможность дает применение стандартного протокола передачи TCP/IP.
Однако наряду с достоинствами Internet следует отметить и основной недостаток - очень низкая скорость передачи данных. Сочетание различных физических сред передачи информации и таких свойств протокола TCP/IP как неопределенность времени получения ответа ведут к тому, что передаваемая информация будет передана правильно и без потерь, но заранее сказать, какое время это займет, нельзя. Очевидно, что Internet -технологии мало подойдут для применения в системах с быстротекущими процессами, однако там, где время не является критичным, Internet является приемлемым решением по обеспечению своевременной и точной информацией оператора системы, инженера-технолога или руководителя.
Удобство и популярность Internet стали основной причиной того, что Web-технологии начали активно применяться во внутренних информационных системах предприятий. Каждое предприятие рано или поздно сталкивается с необходимостью автоматизации своей деятельности. Одной из первых ставится задача централизованного хранения информации и доступа к ней. Если раньше такие технологии использовались лишь на самом верхнем уровне управления - АСУП, то в последнее время все большее распространение они получают и в системах уровня АСУ ТП (в системах класса SCADA/HMI).
Внутренние информационные системы предприятия, построенные с использованием Web-технологий, получили собственное название – «Intranet» (интранет - внутренняя сеть). Интранет совсем не обязательно должна ограничиваться локальной сетью предприятия - она может объединять несколько предприятий, находящихся на значительных расстояниях. Отличие Intranet от Internet заключается в том, что ее информационные ресурсы и пользователи объединены общими задачами и принадлежностью одному коллективу.
Особое место в Web-технологиях занимает сбор данных через Интернет от удаленных контроллеров. Этот метод фактически соответствует традиционно принятой структуре построения АСУ ТП с использованием SCADA-систем, но в данном случае между самой системой и ПЛК может лежать не одна тысяча километров. В такой конфигурации может работать любая SCADA-система, умеющая посылать сообщения по протоколу TCP/IP (что могут делать практически все системы). Аналогично и ПЛК могут работать в такой системе, если они имеют Ethernet или последовательный порт с поддержкой TCP/IP. Практически все крупнейшие производители контроллеров имеют такие модели.
Совершенно новой технологией для управления через Интернетявляются встраиваемые в ПЛК Web-серверы. Сейчас можно говорить лишь о наметившихся перспективах. Одна из главных особенностей этой «революционной» технологии (кроме универсальности связи с ПЛК) - отказ от использования SCADA-систем. Web-сервер находится в контроллере, который подключен непосредственно к сети Internet. Имеющийся в контроллере сопроцессор осуществляет формирование необходимых HTML-страниц и связывает их с данными, поступающими с объекта. Однако в данном случае основная тяжесть работы по обработке данных будет ложиться на плечи самого контроллера, который вынужден будет кроме первичной обработки данных осуществлять и вторичную обработку, что может потребовать применения гораздо более мощного процессора ПЛК, чем в случае работы без Web-сервера. Во всех Internet/Intranet-решениях по обмену данными кроме технологического сервера как поставщика данных и клиента как получателя информации задействован Web-сервер (рисунок 5.8). Информация на сервере хранится в виде страниц, на которых, кроме текста, могут находиться разные объекты: графические изображения, аудио - и видеоролики, формы для ввода данных, интерактивные приложения и т.д. Взаимодействие между Web-сервером и клиентами осуществляется на основе протокола HTTP (HyperTextTransferProtocol‑ протокол передачи гипертекста).
Рисунок 5.8 - Интеграция SCADA и Internet
Для просмотра приложений Web-клиентом могут, напрмер использоваться навигатор MicrosoftInternetExplorer соответствующей версии или SCADA-система в режиме Runtime.
Web-сервер работает на базе MicrosoftInternetInformationServer (IIS) и связывает установленные на нем приложения с Internet.
Практически все ведущие фирмы-разработчики SCADA-систем занимаются созданием программных продуктов с использованием Internet-технологий, в том числе и технологий с использованием «тонких» клиентов.
Графический интерфейс. Качество отображения информации на мнемосхемах определяется характеристиками графических возможностей пакетов. К ним можно отнести графический редактор, возможность создания объемных изображений, наличие библиотек и разнообразие графических заготовок и готовых объектов, богатство инструментария, многообразие динамических свойств элементов мнемосхем, форматы импортируемых изображений, наличие инструментария для создания растровых рисунков, наличие и возможности многооконных режимов и т. п.
При создании компонентов операторских интерфейсов (например, мнемосхем) разработчику приходится использовать графические объекты, представляющие собой технологические аппараты (колонны, емкости, теплообменники и т. д.), участки трубопровода и такие устройства, как клапаны, насосы, электродвигатели, контроллеры, компьютеры и т. д. Как правило, это сложные объекты, полученные объединением множества простых объектов или рисунки типа Bitmap.
Создание каждого из этих объектов требует большого времени и может значительно затянуть разработку проекта. Для ускорения работы над проектом практически все SCADA-пакеты предлагает разработчику библиотеки готовых объектов, включающие сотни и тысячи графических компонентов. Теперь нет необходимости рисовать объект и терять драгоценное время, если подобный объект есть в библиотеке. Достаточно открыть библиотеку объектов щелчком по соответствующей иконке инструментария, выбрать раздел, затем - объект и вставлять его в любые окна разрабатываемого интерфейса. Операция вставки готового объекта занимает всего несколько секунд.
Разработчику надо лишь выбрать требуемый объект из библиотеки, вставить его в графическую страницу и в появившийся на экране диалог ввести имя/имена переменной/переменных.
В SCADA-системах различных производителей набор динамических свойств объектов достаточно типизирован. В режиме исполнения при определенных условиях объекты интерфейса могут:
· перемещаться (горизонтально, вертикально);
· изменять размеры (по горизонтали, по вертикали);
· заполняться цветом (по горизонтали, по вертикали);
· быть ползунковыми регуляторами (горизонтального или вертикального типа);
· появляться на экране и исчезать с него (видимость);
· мерцать;
· вращаться;
· изменять цвет.
В целях унификации окон интерфейса оператора/диспетчера и сокращения сроков разработки проектов некоторые компании-производители SCADA снабжают свои пакеты программ шаблонами окон с возможностью их модификации и создания собственных шаблонов. Другие SCADA-системы предусматривают возможность импорта/экспорта окон из одних приложений в другие, что также существенно упрощает процесс разработки
Подсистема сигнализации. Возможности по предоставлению информации эксплуатационному персоналу об аварийных ситуациях и событиях обеспечиваются подсистемами сигнализации. Такие подсистемы - обязательный компонент любого SCADA-пакета, но механизмы их реализации различны.
В русском языке понятие «сигнализация» стоит рядом с понятием «тревога». Английским аналогом этих понятий является Alarm (аларм). В дальнейшем изложении материала по подсистемам сигнализации различных SCADA-пакетов авторами будет использоваться та терминология, которая одобрена их производителями при переводе документации на русский язык (iFIX – тревоги, InTouch – алармы).
Поддерживаемые типы алармов (тревог), приоритеты, возможности по фильтрации алармов (группировка), механизмы вывода информации об алармах, удобство конфигурирования системы алармов и т. п. - вот далеко не полный перечень характеристик подсистемы сигнализации.
Аларм (состояние тревоги) - это сообщение, формируемое системой управления и имеющее целью привлечь внимание оперативного персонала о возникновении ситуации, которая может привести к нарушению технологического процесса или более серьезным последствиям. Степень важности того или иного аварийного сообщения зависит от последствий, к которым может привести нарушение, вызвавшее данное аварийное сообщение. Наиболее важные аварийные сообщения могут потребовать вмешательства оперативного персонала. Поэтому для большинства аварийных сообщений, сформированных системой, требуется подтверждение (квитирование) их получения оператором/диспетчером.
Наряду с алармами в SCADA - системах существует понятие событий. Под событием следует понимать обычные статусные сообщения системы, не требующие подтверждения их получения и ответной реакции оператора. Обычно события генерируются при возникновении в системе определенных условий (регистрация оператора в системе, ввод информации оператором).
Причины, вызывающие состояние аларма, могут быть самыми разными:
· отказ аппаратных средств (датчиков, контроллеров, каналов связи);
· отказ технологического оборудования (насоса, электродвигателя и т. п.);
· выход параметров технологического процесса за заданные границы.
Все SCADA - системы поддерживают алармы двух типов: дискретные и аналоговые.
Дискретные алармы срабатывают при изменении состояния дискретной переменной (кран открыт/закрыт, насос включен/выключен). По умолчанию дискретныйаларм может срабатывать при переходе на 1 (ON) или на 0 (OFF), в зависимости от конкретного SCADA - пакета.
Аналоговыеалармыбазируются на анализе выхода значений переменной за указанные верхние и нижние пределы.Аналоговыеалармы могут быть заданы в нескольких комбинациях, например:
· верхние пределы (предаварийный и аварийный);
· нижний пределы (предаварийный и аварийный);
· отклонение от заданного значения;
· скорость изменения параметра.
Для выхода переменной из состояния аларма необходимо, чтобы ее значение стало меньше порогового на величину, называемую зоной нечувствительности. Аналогично можно интерпретировать нижние предаварийные и аварийные алармы.
Все вышеизложенное справедливо и для аларма типа «отклонение». Заданное значение в ходе технологического процесса может изменяться либо оператором, либо программно (автоматически). Аларм «сработает» при выходе значения переменной за границу допустимого отклонения.
Алармы, определяемые скоростью изменения параметра, возникают в случае, если она становится больше (меньше) предельно допустимой. Понятие «зона нечувствительности» к алармам этого типа не применяется
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 114; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!