SCADA-системы

Программно-технические комплексы.

В настоящее время автоматизация производственных процессов все чаще выполняется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств, которые в России получили название программно-технических комплексов (ПТК). На вход ПТК от датчиков поступают измеренные значения величин, характеризующих производственный процесс. Комплексы реализуют заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдают результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации. Все ПТК можно разбить на классы, каждый из которых рассчитан на определенный набор выполняемых функций и соответствующий объем получаемой и обрабатываемой информации об объекте.

Программно-технический комплекс представляет собой интегрированную иерархическую систему, состоящую из аппаратно- и программно-совместимых технических средств, объединенных средствами передачи данных. ПТК удовлетворяет следующим требованиям:

· рациональность структуры в условиях интенсивного развития номенклатуры средств и расширения состава информационно-вычислительных и управляющих функций системы;

· гибкость структуры, обеспечиваемой модульностью технических средств и программного обеспечения;

· возможность построения многоуровневых многомашинных комплексов, обеспечивающих территориальную рассредоточенность совместно с распределенной обработкой информации и управлением;

· возможности развития системы путем модульного наращивания подсистем и функций в объеме не менее чем 10 - 15%.

Программно-технический комплекс включает в себя следующие компоненты:

· контроллеры

· системы и средства передачи данных, в том числе локальные сети

· средства представления информации - станции оператора (вычислительные средства, цветные мониторы, принтеры и т.п.)

· технические средства архивирования

· система бесперебойного питания

· сервисные средства для эксплуатации, проверки, контроля работы, наладки и обслуживания системы.

Техническое оборудование ПТК

Контроллеры

Контроллеры представляют собой однородные микропроцессорные устройства, выполненные на однотипной элементной базе. Вычислительная часть контроллеров предпочтительно представлена IBM PC/AT совместимой платой промышленного исполнения. Контроллеры имеют модульную структуру, чтобы при изменении набора и количества модулей можно было конфигурировать устройства различной информационной и вычислительной мощности.

Контроллеры обеспечивают сбор и первичную обработку информации.

Контроллеры имеют в составе сетевые устройства для включения в локальную вычислительную сеть. При этом обеспечиваются соответствующие объемно-временные характеристики обмена информацией между контроллерами и устройствами верхнего уровня. Связь между контроллерами и верхним уровнем цифровая, помехоустойчивая, защищенная от отказов или разрушения аппаратуры системы связи, защищенная на случай отказов резервированием.

Контроллер оснащен аппаратно-программными средствами самодиагностики.

Станция оператора

Станция оператора обеспечивает контроль протекания технологического процесса, контроль состояния технологических параметров и оборудования, а также дистанционное управление техническими средствами.

Станция оператора обеспечивает выполнение следующих функций

· вывод видеокадров в виде мнемосхем, графиков, цифровой информации в виде таблиц;

· вывод информации об ошибках в контроллерах, связанных с данной станцией;

· изменение оперативных параметров и параметров настройки контроллеров;

· дистанционное управление аналоговыми и дискретными выходами.

В качестве вычислительного блока станции оператора применяются компьютеры ведущих мировых компьютерных фирм (офисное исполнение).

Основным средством вызова информации отображения оператору и ввода команд оператора является функциональная технологическая клавиатура пыле-, брызгозащищенного исполнения.

На цветные дисплеи выводится оперативная информация по контролируемым параметрам в виде фрагментов мнемосхем, графиков и гистограмм (барграфов) с сигнализацией отклонений параметров от допустимых значений. Кроме того, предусмотрен инициативный (автоматический) вывод на экраны дисплеев сигнальной информации о работе оборудования (при нарушениях нормального хода технологического процесса). На панели дистанционного управления располагаются индивидуальные ключи и блоки управления для воздействия на наиболее важные (5-10%) исполнительные механизмы.

Системы и средства передачи информации

Все элементы ПТК объединены между собой средствами передачи данных, с помощью которых производится обмен информацией между этими элементами. Основным способом обмена информации в ПТК должен быть цифровой. Локальная сеть базируется на сетевой 10/100 Мбит/с ETHERNET технологии (витая пара). В качестве базового протокола сетевого (и межсетевого) взаимодействия использованы протоколы семейства IP (TCP/IP, UDP) фактически признанные в качестве международного стандарта. Это обеспечивает возможность применения разно-платформенной техники при построении, развитии и дальнейшей модернизации системы.

В системе обеспечивается гарантированная доставка важных данных. Сетевые контроллеры и протоколы обмена обеспечивают выполнение требования наиболее эффективной передачи информации с учетом характеристик для выбранной магистрали потоков информации и расстояний между обслуживаемыми ею цифровыми устройствами.

Программное обеспечение ПТК

Общие положения

Программное обеспечение (ПО) достаточно для реализации всех функций АСУ ТП а также имеет средства для организации всех требуемых процессов обработки данных, позволяющие выполнять в реальном масштабе времени все автоматизированные функции во всех регламентированных режимах функционирования. Программное обеспечение представляет собой совокупность программных средств, обеспечивающих совместно с техническими средствами контроль, управление, регулирование, а также взаимодействие с оперативным и эксплуатационным персоналом вычислительных комплексов. Программное обеспечение (ПО) отвечает следующим принципам:

· модульность построения всех составляющих

· иерархичность собственно ПО и данных; "скрытность" и «прозрачность" данных для программ различных уровней и приоритетов

· эффективность (минимальная затрата ресурсов)

· открытость (возможность расширения и модификации)

· гибкость (возможность внесения изменений и перенастройки)

· надежность (соответствие заданному алгоритму, отсутствие ложных действий), защита от разрушения и несанкционированного доступа как программ, так и данных

· живучесть (выполнение возложенных функций в полном или частичном объемах при сбоях и отказах, восстановление после сбоев)

· унификация решений.

Все типовые задачи ПТК, связанные со сбором, обработкой, передачей, хранением и представлением информации, а также связанные с выдачей управляющих воздействий и информации на исполнительные и другие внешние устройства, программируются путем настройки, конфигурирования на технологическом языке или с помощью других программных средств, не требующих от обслуживающего персонала знаний в области применения универсальных языков программирования.

Основные типовые задачи ПТК:

· линеаризация характеристик первичных преобразователей (датчиков);

· компенсация температуры холодных спаев для термоэлектрических преобразователей;

· контроль достоверности сигналов;

· контроль отклонения сигналов за уставки;

· коррекция значений параметров;

· накопление данных в архивах (архивная информация о событиях, об аварийных ситуациях, об изменении во времени параметров, об изменении состояния автоматических устройств, о работе защит, о работе технических и программных средств ПТК, о появлении и исчезновении недостоверной информации и т.д.);

· отображение информации (операторам, технологам, специалистам службы АСУТП и т.д.);

· технологическая сигнализация;

· протоколирование информации (составление отчетов);

· расчет и анализ ТЭП;

· дистанционное управление;

· логическое управление;

· автоматическое регулирование;

· автоматическое логическое управление и технологические блокировки;

· технологические защиты и защитные блокировки;

Сервисные функции

Предусмотрено разделение программного обеспечения на системное, сервисное (фирменное) и пользовательское (прикладное). Системное и сервисное (фирменное) ПО поставляется комплектно с ПТК разработчиком последнего. Пользовательское программное обеспечение в зависимости от требований Заказчика готовится поставщиком ПТК. Поставщик ПТК предусматривает возможность изменения и корректировки прикладного программного обеспечения наладчиками и обслуживающим персоналом по специальным дисциплинам доступа.

Программное обеспечение реализуется на двух уровнях управления:

· в среде рабочих станций (операторских, инженерных, архивных), реализованных на базе IBM PC- совместимых персональных компьютеров;

· в среде программируемых контроллеров (также IBM PC-совместимых).

Концепция SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) предопределена всем ходом развития систем управления и результатами научно-технического прогресса. Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, хранения и отображения информации.

SCADA - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешним миром.

Дружественность человеко-машинного интерфейса, предоставляемого SCADA - системами, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность элементов управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой, сводит к нулю его критические ошибки при управлении, позволяет сократить сроки разработки проектов по автоматизации и прямые финансовые затраты на их разработку.

Традиционно SCADA-системы понимались как инструмент разработки программного обеспечения для рабочих мест диспетчеров, т. е. для верхнего уровня АСУ ТП.

Но с момента массового распространения IBM PC совместимых контроллеров (РС-контроллеров) появилась возможность унифицировать программное обеспечение для операторских ПК и промышленных контроллеров.

Был создан единый инструмент для решения всех задач АСУ ТП – от программирования датчиков и контроллеров до создания операторских станций.

Поддержка аппаратуры ввода/вывода предполагает, что драйверы ввода/вывода, входящие в комплект поставки, обеспечивают поддержку всех аппаратных средств промышленной автоматизации фирм-разработчиков.

В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).

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

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) – включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции:

· сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса,

· управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

· решение задач автоматического управления и др.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. 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.

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 станции 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.

Спектр функциональных возможностей определен самой ролью SCADA в системах управления и реализован практически во всех пакетах:

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 к удобной для восприятия форме.

5. Прием команд оператора и передачи 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 назвать сейчас, комплексной информационной системой).

10. Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Все компоненты системы управления объединены между собой каналами связи. Обеспечение взаимодействия SCADA - систем с локальными контроллерами, контроллерами верхнего уровня, офисными и промышленными сетями возложено на так называемое коммуникационное ПО. Это достаточно широкий класс программного обеспечения, выбор которого для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, используемой SCADA – системой.

Большой объем информации, непрерывно поступающий с устройств ввода/вывода систем управления, предопределяет наличие в таких системах баз данных (БД). Основная задача баз данных - своевременно обеспечить пользователя всех уровней управления требуемой информацией.

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.

В современных SCADA-системах применяется OPC-технология (OLE for Process Control). Это технология связывания и внедрения объектов для систем автоматзации. Технология OPC определяет способ обмена данными между двумя программами на ПЭВМ под управлением Windows. Разработана международной организацией OPC Foundation как промышленный стандарт для взаимодействия программ, обслуживающих комплексы телемеханики разных производителей. Технология OPC определяет 2 класса программ: OPC-сервер, непосредственно взаимодействующий с аппаратурой телемеханики, и OPC-клиент, получающий данные от OPC-сервера для дальнейшей обработки и передающий в OPC-сервер команды управления.

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Наиболее популярные из них:

InTouch (Wonderware) - США;

Citect (CI Technology) - Австралия;

FIX (Intellution) - США;

Genesis (Iconics Co) - США;

Factory Link (United States Data Co) - США;

RealFlex (BJ Software Systems) - США;

Sitex (Jade Software) - Великобритания;

TraceMode (AdAstrA) - Россия;

Cimplicity (GE Fanuc) - США;

САРГОН (HBT - Автоматика) - Россия.

Дата добавления: 2014-01-03