Учебно-методическое пособие SCADA-системы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра автоматизации и информационных систем

SCADA-СИСТЕМЫ

Учебно-методическое пособие по учебным дисциплинам «СУБД реального времени»

для студентов направления подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии,

«Основы разработки, испытания и развития систем автоматизации» для студентов направления подготовки

220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств

Новокузнецк

2013

УДК 681.3.068 ББК 32.973

С42

Рецензенты

директор института информационных технологий и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «СибГИУ», кандидат технических наук, доцент

М.В. Ляховец

заведующий кафедрой систем автоматизации управления факультета информационных технологий

Новокузнецкого института (филиала) ФГБОУ ВПО «КемГУ» кандидат технических наук, доцент

И.А. Жибинова

С42 SCADA-системы: уч.-метод. пособ. / Сиб. гос. индустр. ун- т; сост.: В.В. Грачев, К.Г. Венгер, М.В. Шипунов. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013. – 104 с.

Учебно-методическое пособие посвящено SCADA-системам – особому классу программного обеспечения систем автоматизации управления. Рассматривается понятие «SCADA-система», функции и технологии SCADA-систем, а также место SCADA в системе автоматизации управления. Освещены общие вопросы и последовательность действий при создании мнемосхемы промышленного комплекса с использованием SCADA-системы. Разобран пример создания мнемосхемы промышленного комплекса обогатительной фабрики на базе

SCADA-системы InTouch корпорации Wonderware (США).

Рассмотрена процедура выбора и приобретения SCADA-систем. Пособие предназначено для студентов всех форм обучения

направления подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии, 220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств; может быть полезно для специалистов по созданию систем автоматизации управления промышленными комплексами, аспирантам, преподавателям вузов.

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебно-методическое пособие является результатом многолетнего опыта преподавания авторами дисциплин по программным средствам автоматизации в Сибирском государственном индустриальном университете, а также опыта разработки прикладного программного и информационного обеспечения для систем автоматизации управления (САУ) промышленными комплексами Кузбасса.

Основу пособия составили материалы курсов «СУБД реального времени», «Основы разработки, испытания и развития систем автоматизации», «Программное обеспечение систем управления» и «Операционные системы и базы данных». Эти материалы прошли успешную проверку в бескомпромиссной и сложной аудитории, состоящей из слушателей с разным уровнем подготовки и кругом профессиональных интересов.

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения направления подготовки 230400.62 Информационные системы и технологии, 220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств; может быть полезно для специалистов по созданию САУ промышленными комплексами, аспирантам, преподавателям вузов.

Пособие будет также полезно начинающим специалистам в области программного и информационного обеспечения САУ, желающим получить базовые знания о технологиях SCADA-систем, принципах разработки прикладного программного и информационного обеспечения, понять особенности проектирования мнемосхем промышленных комплексов.

Первая часть учебно-методического пособия посвящена основным сведениям о SCADA-системах как об особом виде специализированного программного обеспечения САУ. Дается понятие «SCADA-система», определяются характеристики, функции, архитектуры и технологии SCADA-систем. Рассматривается место SCADA-систем в функциональной структуре САУ промышленным комплексом. Приводится общая характеристика SCADA-системы

InTouch (Wonderware, США).

Во второй части пособия изложены общие сведения, связанные с проектированием, разработкой и внедрением прикладного программного и информационного обеспечения САУ, на примере мнемосхем промышленных комплексов. Рассмотрен метод и

3

алгоритм создания мнемосхем. Выделены ключевые этапы и особенности их реализации, приведены примеры.

Третья часть учебно-методического пособия представляет собой пример разработки мнемосхемы углеобогатительной фабрики, начиная с постановки задачи создания мнемосхемы, анализа исходных данных по фабрике, разработки графических элементов, базы данных параметров технологического процесса и заканчивая написанием скриптов и анимированием мнемосхемы.

В четвертой части рассмотрена процедура выбора и приобретения SCADA-систем в существующих рыночных условиях.

Пятая часть пособия содержит задание по самостоятельной работе. Здесь предлагается разработать мнемосхему промышленного комплекса склада товарной продукции и погрузочного пункта углеобогатительной фабрики.

При подготовке данного пособия был проделан большой объем работы по сбору и обработке эмпирических данных. Были изучены стандарты, известные теоретические положения, методы и алгоритмы в области создания мнемосхем и на их основе разработаны методы и алгоритмы создания прикладного программного и информационного обеспечения САУ крупными промышленными комплексами.

Особенностью предложенных в учебно-методическом пособии разработок является то, что они получены с явным учетом современных условий, сложившихся в практике создания крупных промышленных автоматизированных комплексов, и современных требований к САУ.

4

ВВЕДЕНИЕ

Традиционно САУ промышленными комплексами было принято разделять на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и на автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) [1, 2]. На АСУТП возлагались функции оперативного управления, на АСУП – стратегического управления промышленным комплексом. Как правило, эти системы были мало интегрированы друг с другом и функционировали во многом автономно. В настоящее время все больше ориентируются на объединение АСУТП и АСУП в единую интегрированную САУ.

При создании мнемосхем промышленного комплекса интегрированной САУ можно идти двумя путями. Во-первых, создавать мнемосхемы без привлечения специализированных пакетов программ

– базового программного обеспечения, обходясь только языками программирования высокого уровня, например на C++. Однако этот путь достаточно трудоемкий и не отвечает многим требованиям, особенно жестким ограничениям на сроки создания системы.

Другой путь разработки мнемосхем промышленного комплекса интегрированной САУ основан на использовании готовых программных средств – специализированного базового программного обеспечения. При использовании готовых программных средств сроки создания значительно сокращаются, так как нет необходимости в создании мнемосхем «с нуля», привлекая к работе высококвалифицированных разработчиков: аналитиков, программистов и отладчиков. Достаточно лишь правильно сконфигурировать и адаптировать программный продукт под цели и условия конкретного промышленного предприятия. С такой задачей по силам справиться рядовому инженеру отдела автоматизации предприятия.

Одним из примеров готовых программных средств для создания мнемосхем промышленного комплекса является такое специализированное базовое программное обеспечение как SCADA-система.

В данном учебно-методическом пособии будет рассмотрена SCADA-система InTouch корпорации Wonderware (США) применительно к задаче создания мнемосхемы промышленного комплекса углеобогатительной фабрики.

5

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О SCADA-СИСТЕМАХ

1.1 Понятие «SCADA-система». Функции и технологии SCADA-систем

Понятие «SCADA-система» введено в терминологию автоматизации более полувека назад. Аббревиатура SCADA дословно рас-

шифровывается как Supervisory Control And Data Acquisition System –

система оперативно-диспетчерского управления и сбора данных [3, 4].

SCADA-система – это специализированное базовое программное обеспечение, функционирующее в режиме реального времени и реализующее следующие задачи оперативно-диспетчерского управления:

сбор производственных данных с удалѐнных объектов;

обработка данных;

хранение данных;

анализ данных;

управление удаленными объектами.

В этом определении перечислены только основные функции SCADA-систем. В общем случае перечень задач, решаемых SCADAсистемой, гораздо шире и включает в себя [5]:

обмен данными с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК, PLC) в режиме реального времени через драйверы ввода-вывода информации;

вторичная обработка информации в режиме реального вре-

мени;

логическое управление;

отображение информации на мониторе диспетчера (оператора)

вудобной и доступной для восприятия форме;

ведение базы данных (БД) реального времени с технологической информацией;

аварийная сигнализация и управление тревожными сообщени-

ями;

подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;

обеспечение связи с АСУП.

6

Термин «SCADА-система» используется, когда речь идет об автоматизированных системах, то есть системах контроля и управления, осуществляемого с участием человека – диспетчера (оператора) [6].

При нормальном ходе технологического процесса большинство управляющих воздействий выполняется автоматически с помощью ПЛК, на основе заложенных в них алгоритмов. Вмешательство диспетчера (оператора) минимально и требуется, например, при смене маршрутов, режимов работы, уставок технологических параметров. Роль диспетчера (оператора) сводится к мониторингу ситуации с помощью SCADA-системы.

Например, ПЛК управляют потоком охлаждающей жидкости внутри части технологического агрегата, а SCADA-система позволяет диспетчеру (оператору):

изменять уставки для потока;

менять маршруты движения жидкости;

заполнять те или иные емкости;

следить за тревожными сообщениями (алармами).

Тревожные сообщения, такие как «потеря потока» и «высокая температура», должны быть отображены на мониторе и записаны в предысторию, диспетчер (оператор) при этом должен своевременно на них отреагировать.

Таким образом, процесс управления технологическим агрегатом происходит с помощью ПЛК, в то время как диспетчер (оператор) с помощью SCADA-системы лишь контролирует его выполнение.

Всовременных SCADA-системах широко применяется принцип модульного построения. Модульность реализуется в двух основных вариантах.

Впервом случае для SCADA-системы, обеспечивающей полный набор базовых функций, создаются дополнительные функциональные модули-опции, реализующие необязательные в применении функции контроля и управления, например, SPC (Statistical Process Control – статистическое управление процессом), Batch Control (управление партиями).

Во втором случае SCADA-система создается полностью модульной, состоящей из функциональных модулей для реализации отдельных функций контроля и управления. Модули в достаточной мере независимы и могут применяться на отдельных функциональ-

7

ных станциях или свободно компоноваться в разных сочетаниях при разработке станций. Таким образом, могут создаваться, например, станции сбора и обработки производственных данных (SCADA-сер- веры), станции мониторинга (SCADA-клиенты), станции сбора и хранения алармов (Alarm-серверы) или станции со свободно формируемым набором функций.

Первые SCADA-системы появились в США в 60-х годах XX века. Однако наиболее существенное развитие SCADA-системы получили в 70-80-х годах XX века с развитием элементной базы аппаратных средств, в частности микропроцессорной техники. Базовые функциональные возможности SCADA-систем того времени соответствовали возможностям первых управляющих вычислительных машин, снабженных монохромными алфавитно-цифровыми дисплеями, на которых усилиями энтузиастов-разработчиков часто создавались «псевдографические» изображения – прообраз современной графики. Современные SCADA-системы хорошо структурированы и представляют собой готовые к применению, согласованные по функциям и по всем интерфейсам наборы программных продуктов и вспомогательных компонентов.

Прогресс в области SCADA-систем в последние годы получил значительное ускорение. Это связано, главным образом, с:

поддержкой традиционных технологий (DDE, DLL, OLE, ODBC/SQL) и привлечением новейших информационных технологий

(COM/DCOM, ActiveX, ОРС);

интеграцией SCADA-систем с другими корпоративными приложениями, в том числе с использованием Internet/Intranet технологий;

встраиванием стандартных языковых средств программирова-

ния (Java, VBA, C++, языки стандарта IEC 61131-3);

использованием интуитивно-понятных интерфейсов как для разработчика, так и для диспетчера (оператора).

В настоящее время на мировом рынке программного обеспечения идет жесткая конкурентная борьба между фирмами-разработчи- ками. И рынок SCADA-систем тому не исключение. Количество известных SCADA-систем приближается к полусотни, а предложения SCADA-систем значительно превышают спрос на них.

Наиболее популярные SCADA-системы, имеющие поддержку в России, приведены в таблице 1.

8

Таблица 1 – SCADA-системы, представленные на российском рынке

SCADA	Фирма-изготовитель	Страна
Wizcon Supervisor	ELUTIONS	США
InTouch	Wonderware	США
Genesis	Iconics	США
iFIX	GE Intelligent Platforms	США
RSView32	Rockwell Software Inc.	США
RealFlex	RealFlex Technologies	США
Factory Link	United States DATA Co.	США
Sitex/Phocus	Jade Software	Англия
WinCC	Siemens	Германия
Vijeo Citect	Schneider Electric	Франция
Advantech Studio	Advantech	Тайвань
MasterSCADA	ИнСАТ	Россия
КАСКАД	Каскад-АСУ	Россия
КРУГ-2000	КРУГ	Россия
Trace Mode	AdAstrA Research Group	Россия

1.2Характеристики SCADA-систем

Среди перечня характеристик SCADA-систем, которые в первую очередь должны интересовать проектировщика, можно выделить три большие группы (рисунок 1):

технические характеристики;

стоимостные характеристики;

эксплуатационные характеристики.

1.2.1Технические характеристики SCADA-систем

1) Программно-аппаратная платформа SCADA-системы.

Анализ перечня таких платформ необходим, поскольку от него зависит ответ на вопрос, возможна ли реализация той или иной

9

Рисунок 1 – Характеристики SCADA-систем

SCADA-системы на имеющихся вычислительных средствах, а также оценка стоимости эксплуатации системы (будучи разработанной в одной операционной среде, прикладная программа может быть выполнена в любой другой, которую поддерживает выбранный SCADAпакет). В различных SCADA-системах этот вопрос решен по-разному. Так, Factory Link имеет весьма широкий список поддерживаемых программно-аппаратных платформ (таблица 2).

10