Учебно-методическое пособие SCADA-системы

Таблица 2 – Программно-аппаратные платформы, поддерживаемые

SCADA-системой Factory Link

Операционная система	Компьютерная платформа
DOS/MS Windows	IBM PC
OS/2	IBM PC
SCO UNIX	IBM PC
VMS	VAX
AIX	RS6000
HP-UX	HP 9000
Microsoft Windows	IBM PC

В то же время в таких SCADA-системах, как RealFlex и Sitex основу программной платформы принципиально составляет единственная операционная система – операционная система реального времени QNX.

Подавляющее большинство SCADA-систем реализовано на MS Windows платформах. Именно такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые средства человеко-машинного интерфейса. Учитывая позиции Microsoft на рынке операционных систем, следует отметить, что даже разработчики многоплатформных

SCADA-систем, такие как United States Data Co (разработчик Factory Link), приоритетным считают дальнейшее развитие своих SCADAсистем на платформе Windows NT. Некоторые фирмы, до сих пор поддерживавшие SCADA-системы на базе операционных систем реального времени, начали менять ориентацию, выбирая системы на платформе Windows. Все более очевидным становится применение операционных систем реального времени, в основном, во встраиваемых системах, где они действительно хороши. Таким образом, основным полем, где сегодня разворачиваются главные события глобального рынка SCADA-систем, стали операционные системы Microsoft Windows.

2) Средства сетевой поддержки.

Одной из основных черт современного мира систем автоматизации является их высокая степень интеграции. В любой из них могут быть задействованы объекты управления, исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информа-

11

цию, рабочие места операторов, серверы баз данных. Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (Ethernet, Arcnet, Token Ring и другие) с использованием стандартных протоколов (TCP/IP, NetBIOS, IPX/SPX и другие), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (Profibus, CAN, LonWorks, Modbus и другие) Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все SCADA-системы, с тем только различием, что набор поддерживаемых сетевых интерфейсов разный.

3) Встроенные командные языки.

Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня, Pascal-, VBasic-подобные языки, позволяющие генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной, с выполнением некоторого логического условия, с нажатием комбинации клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна.

4) Поддерживаемые базы данных.

Одной из основных задач систем диспетчерского контроля и управления является обработка информации: сбор, оперативный анализ, хранение, сжатие, пересылка и так далее. Таким образом, в рамках создаваемой системы должна функционировать база данных.

Практически все SCADA-системы, в частности Genesis, InTouch, Vijeo Citect, используют ANSI SQL синтаксис, который является независимым от типа базы данных. Таким образом, приложения виртуально изолированы, что позволяет менять базу данных без серьезного изменения самой прикладной задачи, создавать независимые программы для анализа информации, использовать уже наработанное программное обеспечение, ориентированное на обработку данных.

5) Графические возможности.

Для специалиста-разработчика системы автоматизации, также как и для специалиста-технолога, диспетчера (оператора), чье рабочее место создается, очень важен графический пользовательский интерфейс. Функционально графические интерфейсы SCADA-систем весьма похожи. В каждой из них существует графический объектноориентированный редактор с определенным набором анимационных

12

функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации.

Крайне важен также вопрос о поддержке в рассматриваемых системах стандартных функций GUI (Graphic Users Interface – графический интерфейс пользователя).

6) Открытость систем.

Система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней «внешние», независимо разработанные компоненты.

а) Разработка собственных программных модулей.

Перед фирмами-разработчиками систем автоматизации часто встает вопрос о создании собственных, не предусмотренных в рамках SCADA-систем, программных модулей и включение их в создаваемую систему автоматизации. Это может быть, например, модуль доступа к графическим функциям, функциям работы с базами данных.

б) Драйверы ввода-вывода.

Современные SCADA-системы не ограничивают выбор аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода/вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Сами драйверы разрабатываются с использованием стандартных языков программирования. Вопрос, однако, в том, достаточно ли только спецификаций доступа к ядру системы, поставляемых фирмой-разработчиком в штатном комплекте (система Trace Mode), или для создания драйверов необходимы специальные пакеты (системы Factory Link, InTouch), или же, вообще, разработку драйвера нужно заказывать у фирмы-разработчика.

Для подсоединения драйверов ввода-вывода к SCADA используются два механизма – стандартные протоколы, такие как DDE, OLE, OPC и обмен по внутреннему протоколу (известному только фирме разработчику). До недавних пор DDE (Dynamic Data Exchange) оставался основным механизмом, используемым для связи с внешним миром в SCADA-системах. Но он был не совсем пригодным для обмена информацией в реальном масштабе времени из-за своих ограничений по производительности и надежности. Взамен DDE компания Microsoft предложила более эффективное и надежное средство пере-

13

дачи данных между процессами – OLE (Object Linking and Embedding). Механизм OLE поддерживается в RSView, Fix, InTouch, Factory Link. На базе OLE появился новый стандарт ОРС (OLE for Process Control), ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт, во-первых, позволяет объединять на уровне объектов различные системы управления и контроля, функционирующие в распределенной гетерогенной среде; во-вторых, ОРС устраняет необходимость использования различного нестандартного оборудования и соответствующих коммуникационных программных драйверов.

в) Разработки третьих фирм.

Многие компании занимаются разработкой драйверов, ActiveXобъектов и другого программного обеспечения для SCADA-систем.

Объекты ActiveX – это объекты, в основе которых лежит

Microsoft COM (Component Object Model – модель составных объектов). Технология СОМ определяет общую схему взаимодействия компонентов программного обеспечения в среде Windows и предоставляет стандартную инфраструктуру, позволяющую объектам обмениваться данными и функциями между прикладными программами. Большинство SCADA-систем являются контейнерами, которые уведомляются ActiveX о происшедших событиях. Любые ActiveX объекты могут быть загружены в систему разработки большинства SCADA и использованы при создании прикладных программ. Управление ActiveX объектами осуществляется с помощью данных, методов и событийных функций, свойственных выбранному объекту.

Этот факт очень важно оценивать при выборе SCADA-пакета, поскольку это расширяет область применения системы непрофессиональными программистами: нет необходимости разрабатывать программы с использованием языков Java, С++ или Basic.

1.2.2Стоимостные характеристики SCADA-систем

1)Стоимость системы.

Стоимость SCADA-систем, на первый взгляд, кажется достаточно высокой. При этом механизм определения цены у разных фирм-разработчиков различен. Например, стоимость InTouch зависит от количества переменных, используемых в разрабатываемой прикладной программе, стоимость Simplicity определяется количеством

14

каналов ввода/вывода, которые должна поддерживать система, а пакет Factory Link имеет высокую базовую стоимость, но не имеет ограничений по количеству каналов. При оценке стоимости SCADAсистемы учитываются минимальные и рекомендуемые ресурсы компьютера, необходимые для ее установки. При этом в некоторых системах, например, WinCC число допустимых переменных напрямую зависит от количества доступной оперативной памяти.

2) Стоимость освоения системы.

Процедура освоения SCADA-систем достаточно проста с точки зрения программиста и не требует длительного времени, поэтому эти затраты относительно невелики. Основной составляющей стоимости является оплата труда программистов, осуществляющих эту работу.

3) Стоимость сопровождения системы.

Эта составляющая обычно наиболее «скрыта от глаз покупателя» и зависит от многих факторов. Например, таких:

стоимость «риска» покупки, который определяется такими параметрами как рыночная надѐжность фирмы-дистрибутора инструментального пакета, рыночная стабильность фирмы-изготовителя продукта;

стоимость коммуникаций с фирмой-поставщиком;

«время реакции» поставщика на проблемы покупателя;

наличие реального прикладного опыта и хорошего знания поставляемого продукта специалистами фирмы-поставщика. Наличие в принципе у поставщика специалистов по продукту;

степень открытости, адаптируемости и модернизируемости продукта.

Эти и многие другие факторы, влияющие на ―стоимость владения‖ необходимо учитывать при выборе системы. Можно подчеркнуть, что концентрация разработчиков SCADA-систем на поле Microsoft Windows способствует снижению «стоимости владения» этими продуктами.

1.2.3 Эксплуатационные характеристики SCADA-систем

Эксплуатационные характеристики SCADA-системы имеют большое значение, поскольку от них зависит скорость освоения продукта и разработки прикладных систем. Они в конечном итоге отражаются на стоимости реализации проектов.

15

1) Удобство использования.

Следует отметить, что сервис, предоставляемый SCADA-сис- темами на этапе разработки прикладного программного обеспечения, обычно очень высок – это вытекает из основных требований к таким системам. Почти все они имеют Windows-подобный пользовательский интерфейс, что во многом повышает удобство их использования, как в процессе разработки, так и в период эксплуатации прикладной задачи.

2) Наличие и качество поддержки

Необходимо обращать внимание не только на наличие технической поддержки SCADA-систем, как таковой, но и на ее качество. Для зарубежных систем в России возможны следующие уровни поддержки:

услуги фирмы-разработчика;

обслуживание региональными представителями фирмыразработчика;

взаимодействие с системными интеграторами.

Судя по большому количеству установок зарубежных систем, исчисляющихся в тысячах, можно быть уверенным в том, что поддержка этих систем очень эффективна. Российские партнеры ведущих мировых производителей, как правило, так же обеспечивают серьезный уровень сервиса для своих заказчиков в виде русификации документации, регулярных курсов, «горячей линии» и решения проблем связанных с индивидуальными требованиями заказчика. Выяснение ситуации о реальном качестве подобной поддержки российским дистрибутором соответствующего продукта – один из главных вопросов, требующих тщательной проработки покупателем при выборе той или иной SCADA-системы.

Отечественные системы, несмотря на малые количества установок по сравнению с системами ведущих зарубежных фирм (имеется в виду глобальный рынок), создавались и поддерживаются фир- мами-разработчиками, содержащими штат профессиональных программистов, которые имеют все предпосылки для качественного технического обслуживания своих продуктов.

3) Русификация.

Любая система управления, имеющая интерфейс с оператором, должна допускать возможность общения с человеком на его родном языке. Поэтому крайне важна возможность использования в системе

16

различных шрифтов кириллицы, ввод-вывод системных сообщений на русском языке, перевод документации, различных информационных материалов. Для российских систем эта проблема вообще отсутствует, так как они разрабатывались отечественными фирмами. Для многих зарубежных продуктов проблема русификации в значительной мере снимается, во всяком случае, для подсистем исполнения или RunTime-подсистем, если они используют наборы шрифтов Windows. Часть зарубежных систем имеют переводы документации на русский язык.

1.3 Место SCADA-системы в САУ промышленным комплексом

Модель укрупненной функциональной структуры САУ промышленным комплексом можно представить в виде пятиуровневой пирамиды (рисунок 2).

5.		Планирование ресурсов предприятия, планирование
	ERP,
		потребности в материалах (ERP, MRP)
	MRP
	4. Уровень		Управления производственными
MES (MES Level)			процессами (MES)

АСУП

АСУТП

3. Уровень диспетчерского управления (SCADA Level)

Оперативно-диспетчерское управление (SCADA-системы, HMI-терминалы, диспетчерские щиты и т.п.)

	2. Уровень сбора данных и	Сбор данных и
	технологического управления	непосредственное управление
	(Control Level)	(PLC, SoftPLC, RTU и т.п.)
		Ввод/вывод информации
	1. Уровень ввода-вывода информации
		(датчики, исполнительные
	(Input/Output Level)
		механизмы, регулирующие органы)

Технологический агрегат, группа

Технологический объект управления агрегатов, технологическая линия или промышленный

комплекс в целом

Рисунок 2 – Функциональная структура САУ промышленным комплексом

В основании пирамиды расположен технологический объект управления, в качестве которого может выступать отдельный технологический агрегат, группа агрегатов, технологическая линия или промышленный комплекс в целом.

17

На первом уровне пирамиды – Input/Output Level (уровень ввода-вывода информации):

с помощью датчиков осуществляется преобразование контролируемых величин в сигнал удобный для дальнейшего использования;

с помощью исполнительных механизмов и регулирующих органов реализуются воздействия на технологический объект управления.

Второй уровень – Control Level (уровень сбора данных и технологического управления) – представлен устройствами технологического управления, осуществляющими на основе заложенных в них алгоритмов сбор данных, обработку и формирование выходной информации. Яркими представителями второго уровня являются PLC, SoftPLC и RTU. Выходная информация второго уровня может поступать как на первый уровень исполнительным механизмам и регулирующим органам в качестве команд управления, так и на третий уровень пирамиды – уровень SCADA в качестве данных для визуализации хода технологического процесса.

Выходная информация уровня Control Level, поступающая на уровень SCADA Level (уровень диспетчерского управления), обрабатывается и представляется таким способом, чтобы диспетчер (оператор), мог осуществлять мониторинг технологического процесса, контролировать его ход и принимать необходимые управляющие воздействия. Уровень SCADA Level представлен средствами, реализую-

щими HMI (Human-Machine Interface – интерфейс «человек – ма-

шина», человеко-машинный интерфейс) – SCADA-системы, HMIтерминалы, диспетчерские щиты, панели приборов и т.п.

Четвертый уровень пирамиды – это уровень MES Level

(Manufacturing Execution System – система управления производственными процессами). На этом уровне с помощью специализированного программного обеспечение MES решаются задачи синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какого-либо производства.

Пятый уровень пирамиды – это уровень ERP- (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприятия) и MRP-

(Material Requirement Planning – планирование потребности в материалах) систем.

ERP-системы ориентированы на оптимизацию всех ресурсов предприятия и обеспечивают интеграцию:

18

производства;

операций управления активами и трудовыми ресурсами;

финансового менеджмента.

MRP-системы являются в настоящее время наиболее популярными средствами в теории и практике логистических систем.

Вцелом, ERP- и MRP-системы реализуют долгосрочное планирование и стратегическое управление промышленным комплексом.

Таким образом, SCADA-система в функциональной структуре САУ промышленным комплексом располагается на третьем уровне пирамиды – на стыке АСУТП и АСУП. SCADA-системы позволяют решать задачи, связанные с оперативным управлением промышленным комплексом, и часть задач, связанных с долгосрочным управлением.

Взависимости от размера промышленного комплекса, от количества обрабатываемых данных и от задач, возлагаемых на САУ, SCADA-системы могут реализовываться в централизованной и в распределенной архитектуре.

При компактных размерах промышленного комплекса и небольшом объеме обрабатываемых данных (до 500 сигналов), как правило, используют централизованную архитектуру SCADA-системы.

Вэтом случае, все основные модули SCADA-системы устанавливаются на один персональный компьютер – диспетчерскую (операторскую) станцию.

На территориально распределенных промышленных комплексах, при большом объеме обрабатываемых данных (более 1000 сигналов) предпочтительна распределенная архитектура, при которой различными модулями SCADA-системы реализуются станции разного функционального назначения (рисунок 3).

При такой территориально-распределенной архитектуре к станциям SCADA-системы относятся:

серверы ввода-вывода информации (например, OPC-сер-

веры);

серверы сбора и обработки производственных данных (SCADA-серверы) и станции визуализации (SCADA-клиенты), взаимодействующие между собой по архитектуре «клиент-сервер»;

серверы архивных данных и документирования (Historianсерверы) и станции доступа к предыстории (Historian-клиенты);

серверы сбора, обработки, хранения алармов и событий (Alarm-серверы) и станции доступа к ним (Alarm-клиенты);

19

SCADA-		Historian-		Alarm-клиенты		АРМ’ы
клиенты		клиенты

SCADA-серверы		Historian-серверы		Alarm-серверы

Серверы ввода-вывода		Инженерные станции

RTU		PLC		SoftPLC

Технологический объект управления

Рисунок 3 – Типовая структура обмена информации в САУ территориально распределенным промышленным комплексом

станции наблюдения для руководящего и инженернотехнического персонала (АРМы – автоматизированные рабочие места);

станции модернизации и развития САУ (инженерные стан-

ции).

На практике, как правило, на сервера и рабочие станции САУ устанавливаются сразу несколько различных модулей SCADAсистемы.

Техническая структура САУ в случае территориально распределенного промышленного комплекса может выглядеть следующим образом (рисунок 4).

20