Особенности scada как процесса управления. SCADA-системы. Назначение, функции, характеристики, способы построения Scada примеры

SCADA (аббр. от англ. 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 (мониторинг), а также возможного контроля и управления данным объектом.

Функции SCADA

В названии SCADA присутствуют две основные функции, возлагаемые на системы этого класса:

сбор данных о контролируемом процессе;

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

SCADA-системы обеспечивают выполнение следующих функций:

Прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков.

Сохранение принятой информации в архивах.

Обработка принятой информации.

Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.

Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов.

Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы.

Оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.

Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации.

Обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием.

Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Особенности scada как процесса управления

Процесс управления в современных SCADA-системах имеет следующие особенности:

процесс SCADA применяется в системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);

процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления или даже катастрофическим последствиям;

оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая при нормальных условиях только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;

активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);

действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

Основные требования к scada

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

надежность системы;

безопасность управления;

открытость, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами;

точность обработки и представления данных, создание богатых возможностей для реализации графического интерфейса;

простота расширения системы;

использование новых технологий.

Требования безопасности и надежности управления в SCADA-системах включают:

никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

все операции по управлению должны быть интуитивно- понятными и удобными для оператора (диспетчера).

Основные возможности современных scada

Исходя из требований, которые предъявляются к SCADA-системам, большинству современных пакетов присущи следующие основные возможности:

Автоматизированная разработка, позволяющая создавать ПО системы автоматизации без реального программирования.

Средства сбора и хранения первичной информации от устройств нижнего уровня.

Средства обработки первичной информации.

Средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях.

Средства хранения информации с возможностью ее постобработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных).

Средства визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.п.

Структура (архитектура) scada-систем

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (рис.).

Основные структурные компоненты SCADA-системы.

Remote Terminal Unit (RTU ) - удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени.

Системы реального времени бывает двух типов: системы жесткого реального времени и системы мягкого реального времени.

Системы жесткого реального времени не допускают никаких задержек

Спектр воплощения RTU широк - от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU ) - диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени. Одна из основных функций - обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой. MTU может быть реализован в самом разнообразном виде - от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов.

Communication System (CS ) - коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU.

Основные задачи, решаемые SCADA-системами

Операторский интерфейс, разработанный в SCADA

SCADA-системы решают следующие задачи:

Обмен данными с «устройствами связи с объектом», то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.
Обработка информации в реальном времени.
Логическое управление.
Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.
Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД , электронные таблицы , текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES .

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределённой архитектуре.

Основные компоненты SCADA

SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы:

Драйверы или серверы ввода-вывода - программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами , счётчиками , АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
Система реального времени - программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
Человеко-машинный интерфейс (HMI , англ. Human Machine Interface ) - инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
Система логического управления - программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
База данных реального времени - программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.
Система управления тревогами - программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
Генератор отчетов - программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
Внешние интерфейсы - стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC , DDE , ODBC , DLL и т. д.

Концепции систем

Термин SCADA обычно относится к централизованным системам контроля и управления всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Большинство управляющих воздействий выполняется автоматически RTU или ПЛК . Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается RTU или PLC, а SCADA управляет режимами работы. Например, PLC может управлять потоком охлаждающей воды внутри части производственного процесса, а SCADA система может позволить операторам изменять уста для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные ёмкости, а также следить за тревожными сообщениями (алармами ), такими как - потеря потока и высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с обратной связью проходит через RTU или ПЛК, в то время как SCADA система контролирует полное выполнение цикла.

Сбор данных начинается в RTU или на уровне PLC и включает - показания измерительного прибора. Далее данные собираются и форматируются таким способом, чтобы оператор диспетчерской, используя HMI мог принять контролирующие решения - корректировать или прервать стандартное управление средствами RTU/ПЛК. Данные могут также быть записаны в архив для построения трендов и другой аналитической обработки накопленных данных.

WebSCADA

Под термином WebSCADA , как правило, понимается реализация человеко-машинного интерфейса (HMI) SCADA-систем на основе web -технологий.

Это позволяет осуществлять контроль и управление SCADA-системой через стандартный браузер, выступающего в этом случае в роли тонкого клиента .

Архитектура таких систем включает в себя WebSCADA-сервер и клиентские терминалы - ПК, КПК или мобильные телефоны с Web-браузером. Подключение клиентов к WebSCADA-серверу через Internet /Intranet позволяет им взаимодействовать с прикладной задачей автоматизации как с простой web или WAP -страницей. Однако на данном этапе развития WebSCADA ещё не достигло уровня широкого промышленного внедрения, так как существуют сложности с защитой передаваемой информации. Кроме этого, реализация функций управления через незащищенные каналы связи противоречит соображениям безопасности любого промышленного объекта. В связи с этим, в большинстве случаев Web-интерфейсы используются в качестве удаленных клиентов для контроля и сбора данных.

Уязвимость

SCADA-системы могут быть уязвимы для хакерских атак, так, в 2010 году с использованием вируса Stuxnet была осуществлена атака на центрифуги для обогащения урана в Иране . Таким образом, для защиты информационных комплексов, содержащих SCADA-системы, требуется соблюдение общих требований информационной безопасности .

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "SCADA" в других словарях:

SCADA - is the abbreviation for Supervisory Control And Data Acquisition . It generally refers to an industrial control system: a computer system monitoring and controlling a process. The process can be industrial, infrastructure or facility based as… … Wikipedia

SCADA - система диспетчерское управление и сбор данных ПО, предназначенное для поддержки средств автоматизации и построения систем промышленной автоматизации. SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition,… … Справочник технического переводчика

SCADA - Este artículo o sección sobre informática necesita ser wikificado con un formato acorde a las convenciones de estilo. Por favor, edítalo para que las cumpla. Mientras tanto, no elimines este aviso puesto el 10 de febrero de 2010. También puedes… … Wikipedia Español

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition SCADA est l acronyme de Supervisory Control And Data Acquisition (commande et l acquisition de données de surveillance). L idée générale est celle d un système de télégestion à grande échelle réparti au… … Wikipédia en Français

SCADA - Unter Überwachung, Steuerung, Datenerfassung (ÜSE), oft englisch Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA), wird das Konzept zur Überwachung und Steuerung technischer Prozesse verstanden. Inhaltsverzeichnis 1 Konzept 2 Kommunikation 3… … Deutsch Wikipedia

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (Computing » General) Supervisory Control And Data Acquisition (Business » International Business) Supervisory Control And Data Acquisition (Computing » SMS) Supervisory Control And Data Acquisition… … Abbreviations dictionary

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition … Acronyms

scada - cascada … Dictionnaire des rimes

scáda - m (n/ n) crown of head … Old to modern English dictionary

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition … Acronyms von A bis Z

Диспетчерское управление и сбор данных (SCADA Supervisory Control And Data Acquisition) является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) 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.

За последние 10-15 лет за рубежом резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано 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 возрасти.

Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса (HMI Human-Machine Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя (оператора). Не случайно именно на последние 15 лет, т.е. период появления мощных, компактных и недорогих вычислительных средств, пришелся пик исследований в США по проблемам человеческого фактора в системах управления, в том числе по оптимизации архитектуры и HMI-интерфейса систем диспетчерского управления и сбора данных.

Изучение материалов по проблемам построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показало необходимость применения нового подхода при разработке таких систем: human-centered design (или top-down, сверху-вниз), т.е. ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося hardware-centered (или bottom-up, снизу-вверх), в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения). Применение нового подхода в реальных космических и авиационных разработках и сравнительные испытания систем в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), США, подтвердили его эффективность, позволив увеличить производительность операторов, на порядок уменьшить процедурные ошибки и свести к нулю критические (некорректируемые) ошибки операторов.

Определение и общая структура SCADA

SCADA процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие реального времени отличается для различных SCADA-систем.

Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента:

Remote Terminal Unit (RTU) удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных функций обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

Функциональная структура SCADA

Существует два типа управления удаленными объектами в SCADA:

автоматическое,
инициируемое оператором системы.

Выделяют четыре основных функциональных компонента систем диспетчерского управления и сбора данных:

человек-оператор,
компьютер взаимодействия с человеком,
компьютер взаимодействия с задачей (объектом),
задача (объект управления).

Функци человека-оператора в системе диспетчерского управления, как набор вложенных циклов, в которых оператор:

планирует, какие следующие действия необходимо выполнить;
обучает (программирует) компьютерную систему на последующие действия;
отслеживает результаты (полу)автоматической работы системы;
вмешивается в процесс в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;
обучается в процессе работы (получает опыт).

Данное представление SCADA явилось основой для разработки современных методологий построения эффективных диспетчерских систем.

Особенности SCADA как процесса управления

Особенности процесса управления в современных диспетчерских системах:

процесс SCADA применяется системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);
процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу (потере) объекта управления или даже катастрофическим последствиям;
оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;
активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);
действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

Основные требования к диспетчерским системам управления

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

надежность системы (технологическая и функциональная);
безопасность управления;
точность обработки и представления данных;
простота расширения системы.

Требования безопасности и надежности управления в SCADA включают следующие:

никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).

Области применения SCADA-систем

Основными областями применения систем диспетчерского управления (по данным зарубежных источников), являются:

управление передачей и распределением электроэнергии;
промышленное производство;
производство электроэнергии;
водозабор, водоочистка и водораспределение;
добыча, транспортировка и распределение нефти и газа;
управление космическими объектами;
управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный);
телекоммуникации;
военная область.

В настоящее время в развитых зарубежных странах наблюдается настоящий подъем по внедрению новых и модернизации существующих автоматизированных систем управления в различных отраслях экономики; в подавляющем большинстве случаев эти системы строятся по принципу диспетчерского управления и сбора данных. Характерно, что в индустриальной сфере (в обрабатывающей и добывающей промышленности, энергетике и др.) наиболее часто упоминаются именно модернизация существующих производств SCADA-системами нового поколения. Эффект от внедрения новой системы управления исчисляется, в зависимости от типа предприятия, от сотен тысяч до миллионов долларов в год; например, для одной средней тепловой станции он составляет, по подсчетам специалистов, от 200000 до 400000 долларов. Большое внимание уделяется модернизации производств, представляющих собой экологическую опасность для окружающей среды (химические и ядерные предприятия), а также играющих ключевую роль в жизнеобеспечении населенных пунктов (водопровод, канализация и пр.). С начала 90-х годов в США начались интенсивные исследования и разработки в области создания автоматизированных систем управления наземным (автомобильным) транспортом ATMS (Advanced Traffic Management System).

Тенденции развития технических средств систем диспетчерского управления

Общие тенденции

Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие всех 3-х основных структурных компонентов систем диспетчерского управления и сбора данных RTU, MTU, CS, что позволило значительно увеличить их возможности; так, число контролируемых удаленных точек в современной SCADA-системе может достигать 100000.
Основная тенденция развития технических средств (аппаратного и программного обеспечения) SCADA миграция в сторону полностью открытых систем. Открытая архитектура позволяет независимо выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение стоимости SCADA-систем.

Удаленные терминалы (RTU)

Главная тенденция развития удаленных терминалов увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы строятся на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами верхнего уровня.
Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Это могут быть специализированные (бортовые) компьютеры, в том числе мультипроцессорные системы, обычные микрокомпьютеры или персональные ЭВМ (РС); для индустриальных и транспортных систем существует два конкурирующих направления в технике RTU индустриальные (промышленные) PC и программируемые логические контроллеры (в русском переводе часто встречается термин промышленные контроллеры) PLC.

Индустриальные компьютеры представляют собой, как правило, программно совместимые с обычными коммерческими РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации буквально для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, так как изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения, которых на рынке существует большое разнообразие от различных изготовителей (как, впрочем, и самих поставщиков промышленных РС). В качестве операционной системы в промышленных PC, работающих в роли удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы (подробнее см. ниже).

Промышленные контроллеры (PLC) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессами (объектами) в реальном времени. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода-вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, других устройств и контроллеров, и осуществляющие управление процессом или объектом выдачей управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные PLC часто объединяются в сеть (RS-485, Ethernet, различные типы индустриальных шин), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA-системы диспетчерском пункте управления (MTU). Исследование рынка PLC показало, что наиболее развитой архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation (General Electric), Allen-Bradley (Rockwell), Mitsubishi. Представляет интерес также продукция фирмы CONTROL MICROSYSTEMS промышленные контроллеры для систем мониторинга и управления нефте- и газопромыслами, трубопроводами, электрическими подстанциями, городским водоснабжением, очисткой сточных вод, контроля загрязнения окружающей среды.

Много материалов и исследований по промышленной автоматизации посвящено конкуренции двух направлений PC и PLC; каждый из авторов приводит большое количество доводов за и против по каждому направлению. Тем не менее, можно выделить основную тенденцию: там, где требуется повышенная надежность и управление в жестком реальном времени, применяются PLC. В первую очередь это касается применений в системах жизнеобеспечения (например, водоснабжение, электроснабжение), транспортных системах, энергетических и промышленных предприятиях, представляющих повышенную экологическую опасность. Примерами могут служить применение PLC семейства Simatic (Siemens) в управлении электропитанием монорельсовой дороги в Германии или применение контроллеров компании Allen-Bradley (Rockwell) для модернизации устаревшей диспетчерской системы аварийной вентиляции и кондиционирования на плутониевом заводе 4 в Лос-Аламосе. Аппаратные средства PLC позволяют эффективно строить отказоустойчивые системы для критических приложений на основе многократного резервирования. Индустриальные РС применяются преимущественно в менее критичных областях (например, в автомобильной промышленности, модернизация производства фирмой General Motors), хотя встречаются примеры и более ответственных применений (метро в Варшаве управление движением поездов). По оценкам экспертов, построение систем на основе PLC, как правило, является менее дорогостоящим вариантом по сравнению с индустриальными компьютерами.

Каналы связи (CS)

Каналы связи для современных диспетчерских систем отличаются большим разнообразием; выбор конкретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния между диспетчерским пунктом (MTU) и RTU, числа контролируемых точек, требований по пропускной способности и надежности канала, наличия доступных коммерческих линий связи.

Тенденцией развития CS как структурного компонента SCADA-систем можно считать использование не только большого разнообразия выделенных каналов связи (ISDN, ATM и пр.), но также и корпоративных компьютерных сетей и специализированных индустриальных шин.

В современных промышленных, энергетических и транспортных системах большую популярность завоевали индустриальные шины специализированные быстродействующие каналы связи, позволяющие эффективно решать задачу надежности и помехоустойчивости соединений на разных иерархических уровнях автоматизации. Существует три основных категории индустриальных шин, характеризующие их назначение (место в системе) и сложность передаваемой информации: Sensor, Device, Field. Многие индустриальные шины охватывают две или даже все три категории.

Из всего многообразия индустриальных шин, применяющихся по всему миру (только по Германии их установлено в различных системах около 70 типов) следует выделить промышленный вариант Ethernet и PROFIBUS, наиболее популярные в настоящее время и, по-видимому, наиболее перспективные. Применение специализированных протоколов в промышленном Ethernet позволяет избежать свойственного этой шине недетерминизма (из-за метода доступа абонентов CSMA/CD), и в то же время использовать его преимущества как открытого интерфейса. Шина PROFIBUS в настоящее время является одной из наиболее перспективных для применения в промышленных и транспортных системах управления; она обеспечивает высокоскоростную (до 12 Мбод) помехоустойчивую передачу данных (кодовое расстояние = 4) на расстояние до 90 км. На основе этой шины построена, например, система автоматизированного управления движением поездов в варшавском метро.

Диспетчерские пункты управления (MTU)

Главной тенденцией развития MTU (диспетчерских пунктов управления) является переход большинства разработчиков SCADA-систем на архитектуру клиент-сервер, состоящую из 4-х функциональных компонентов.

1. User (Operator) Interface (интерфейс пользователя/оператора) исключительно важная составляющая систем SCADA. Для нее характерны а) стандартизация интерфейса пользователя вокруг нескольких платформ; б) все более возрастающее влияние Windows NT; в) использование стандартного графического интерфейса пользователя (GUI); г) технологии объектно-ориентированного программирования: DDE, OLE, Active X, OPC (OLE for Process Control), DCOM; д) стандартные средства разработки приложений, наиболее популярные среди которых, Visual Basic for Applications (VBA), Visual C++; е) появление коммерческих вариантов программного обеспечения класса SCADA/MMI для широкого спектра задач. Объектная независимость позволяет интерфейсу пользователя представлять виртуальные объекты, созданные другими системами. Результат расширение возможностей по оптимизации HMI-интерфейса.

2. Data Management (управление данными) отход от узкоспециализированных баз данных в сторону поддержки большинства корпоративных реляционных баз данных (Microsoft SQL, Oracle). Функции управления данными и генерации отчетов осуществляются стандартными средствами SQL, 4GL; эта независимость данных изолирует функции доступа и управления данными от целевых задач SCADA, что позволяет легко разрабатывать дополнительные приложения по анализу и управлению данными.

3. Networking & Services (сети и службы) переход к использованию стандартных сетевых технологий и протоколов. Службы сетевого управления, защиты и управления доступом, мониторинга транзакций, передачи почтовых сообщений, сканирования доступных ресурсов (процессов) могут выполняться независимо от кода целевой программы SCADA, разработанной другим вендором.

4. Real-Time Services (службы реального времени) освобождение MTU от нагрузки перечисленных выше компонентов дает возможность сконцентрироваться на требованиях производительности для задач реального и квази-реального времени. Данные службы представляют собой быстродействующие процессоры, которые управляют обменом информацией с RTU и SCADA-процессами, осуществляют управление резидентной частью базы данных, оповещение о событиях, выполняют действия по управлению системой, передачу информации о событиях на интерфейс пользователя (оператора).

Операционные системы

Несмотря на продолжающиеся споры среди специалистов по системам управления на тему что лучше UNIX или Windows NT? , рынок однозначно сделал выбор в пользу последней. Решающими для быстрого роста популярности Windows NT стала ее открытая архитектура и эффективные средства разработки приложений, что позволило многочисленным фирмам-разработчикам создавать программные продукты для решения широкого спектра задач.

Рост применения Windows NT в автоматизированных системах управления обусловлен в значительной степени появлением ряда программных продуктов, которые позволяют использовать ее в качестве платформы для создания ответственных приложений в системах реального времени, а также во встраиваемых конфигурациях. Наиболее известными расширениями реального времени для Windows NT являются продукты компаний VenturCom, Nematron, RadiSys.

Решения фирмы VenturCom стали стандартом де-факто для создания ответственных приложений жесткого реального времени на платформе Windows NT. При разработке интерфейса для приложений реального времени разработчики фирмы пошли по пути модификации модуля Windows NT слоя аппаратных абстракций (HAL Hardware Abstraction Layer), отвечающего за выработку высокоприоритетных системных прерываний, мешающих задаче осуществлять управление в жестком реальном времени. Программный продукт Component Integrator компании VenturCom является средством ускоренной разработки и внедрения приложений реального времени для Windows NT; он поставляется в виде интегрированного пакета, состоящего из инструментов для создания встраиваемых приложений (ECK Embedded Component Kit) и собственно расширений реального времени (RTX 4.1), позволяющих приложениям, создаваемым для работы под Windows NT, работать а режиме реального времени.

Компания RadiSys применила другой подход к разработке расширений реального времени: Windows NT загружается как низкоприоритетная задача под хорошо проверенной и известной вот уже лет 20 операционной системой реального времени iRMX. Все функции обработки и управления реального времени выполняются как высокоприоритетные задачи под iRMX, изолированные в памяти от приложений и драйверов Windows NT механизмом защиты процессора. Данный подход имеет то преимущество по сравнению с решением VenturCom, что задача реального времени не зависит от работы Windows NT: в случае сбоя или катастрофической системной ошибки в работе Windows NT управляющая задача реального времени будет продолжать работать. Это решение позволяет информировать основную задачу о проблемах, возникших в работе NT, и оставлять только за ней право продолжения работы или останова всей системы.

Следует отметить, что в SCADA-системах требование жесткого реального времени (т.е. способность отклика/обработки событий в четко определенные, гарантированные интервалы времени) относится, как правило, только к удаленным терминалам; в диспетчерских пунктах управления (MTU) происходит обработка/управление событиями (процессами, объектами) в режиме мягкого (квази-) реального времени.

Прикладное программное обеспечение

Ориентация на открытые архитектуры при построении систем диспетчерского управления и сбора данных позволяет разработчикам этих систем сконцентрироваться непосредственно на целевой задаче SCADA сбор и обработка данных, мониторинг, анализ событий, управление, реализация HMI-интерфейса.

Как правило, целевое программное обеспечение для автоматизированных систем управления разрабатывается под конкретное применение самими поставщиками этих систем.

SCADA-системы предназначены для осуществления мониторинга и диспетчерского контроля большого числа удаленных объектов (от 1 до 10000 , иногда на расстоянии в тысячи километров друг от друга) или одного территориально распределенного объекта. К таким объектам относятся нефтепроводы, газопроводы, водопроводы, электрораспределительные подстанции, водозаборы, дизель-генераторные пункты и т.д.

Главная задача SCADA-систем – это сбор информации о множестве удаленных объектов, поступающей с пунктов контроля, и отображение этой информации в едином диспетчерском центре. Также, SCADA-система должна обеспечивать долгосрочное архивирование полученных данных. Диспетчер зачастую обладает возможностью не только пассивно наблюдать за объектом, но и им управлять им, реагируя на различные ситуации.

Задачи SCADA-систем:

обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы;
обработка информации в реальном времени;
отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме;
ведение базы данных реального времени с технологической информацией;
аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями;
подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД , электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).

Структура SCADA-систем

Любая SCADA-система включает три компонента: удалённый терминал (RTU – Remote Terminal Unit), диспетчерский пункт управления (MTU – Master Terminal Unit) и коммуникационную систему (CS – Communication System).

Удаленный терминал подключается непосредственно к контролируемому объекту и осуществляет управление в режиме реального времени. Таким терминалом может служить как примитивный датчик, осуществляющий съем информации с объекта, так и специализированный многопроцессорный отказоустойчивый вычислительный комплекс, осуществляющий обработку информации и управление в режиме реального времени.

Диспетчерский пункт управления осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме квазиреального времени. Он обеспечивает человеко-машинный интерфейс. MTU может быть как одиночным компьютером с дополнительными устройствами подключения к каналам связи, так и большой вычислительной системой или локальной сетью рабочих станций и серверов.

Коммуникационная система необходима для передачи данных с RTU на MTU и обратно. В качестве коммуникационной системы могут использоваться следующие каналы передачи данных: выделенные линии, радиосети, аналоговые телефонные линии, ISDN сети, сотовые сети GSM (GPRS). Зачастую устройства подключаются к нескольким сетям для обеспечения надёжности передачи данных.

Особенности процесса управления в SCADA-системах

В системах SCADA обязательно наличие человека (оператора, диспетчера).
Любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления или даже катастрофическим последствиям.
Диспетчер несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимального функционирования.
Большую часть времени диспетчер пассивно наблюдает за отображаемой информацией. Активное участие диспетчера в процессе управления происходит нечасто, обычно в случае наступления критических событий - отказов, аварийных и нештатных ситуаций и пр.
Действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

Защита SCADA-систем

Среди некоторых пользователей систем SCADA бытует мнение - если система не подключена к интернету , тем самым она застрахована от кибератак. Эксперты не согласны.

Физическая изоляция бесполезна против атак на SCADA-системы, считает Файзел Лакхани (Faizel Lakhani), эксперт по защите информационных ресурсов. По его мнению, физическая изоляция систем равносильна борьбе с ветряными мельницами .

Большинство SCADA-систем теоретически являются изолированными, однако они все равно не полностью отключены от сети. Кроме того, существуют способы обхода изоляции из-за некорректной настройки систем, наличия тестовых ссылок или потому что кто-то настроил Wi-Fi мост. Системы управления, использующиеся на предприятиях электроэнергетического сектора, создавались без учета безопасности. Они разрабатывались для управления напряжением электрического тока - и это все, что они делают по сей день. Технология SCADA основывалась на устаревших по нынешним меркам протоколах, а системы изначально создавались с возможностью подключения друг к другу, но не к интернету. Однако повсеместно используемый протокол TCP/IP за последние 15 лет добрался и до SCADA-систем. В мире интернета практически все подключено, а значит, не может считаться безопасным.

Файзел Лакхани (Faizel Lakhani), президент компании SS8

Мнения российских экспертов относительно защищенности систем АСУ ТП и SCADA созвучны. Поскольку вопросы безопасности АСУ ТП попали в фокус всеобщего внимания, некоторые производители защитных решений приступили к разработке продуктов, ориентированных на противостояние угрозам для промышленных информационных комплексов (к числу таких продуктов, в частности, может относиться безопасная операционная система - среда для функционирования только доверенных приложений) .

Отдельные компании начали готовить аналитические материалы по этим вопросам, предпринимая попытки оценить состояние АСУ ТП с точки зрения защищенности. Реакция на эти инициативы со стороны специалистов, работающих с промышленными системами, неоднозначна и не всегда одобрительна. Сторонний наблюдатель может сделать вывод: между эксплуатантами

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

Возможно, будет полезно почитать: