Современные концепции построения АСУ ТП на основе SCADA- систем

До недавнего времени на предприятиях вся автоматика, управляющая технологическим оборудованием, была построена на основе аналогичных приборов. Но со временем расширилось производство, возникла необходимость вести точный учет сырья, энергоносителей, электроэнергии и выпущенной продукции. Количество контролируемых и регулируемых параметров постоянно растет. Перечисленные факторы способствовали появлению программно-технологических средств класса SCADA-систем.

Необходимо различать программное обеспечение SCADA, функционирующее в составе АСУ ТП конкретного объекта, и набор инструментальных программных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения, соответственно и критерии оценки средств разработки SCADA-систем и их пригодности для реализации той или иной прикладной задачи должны лежать в плоскости, несколько отличной от требований к прикладному программному обеспечению верхнего уровня АСУ ТП. Тем не менее, обе разновидности ПО весьма тесно связаны (например, run-time компоненты инструментальной системы непосредственно используются в объектовом ПО), поэтому мы будем называть их системами SCADA, надеясь на то, что из контекста понятно, о чем идет речь в каждом конкретном случае.

Для начала остановимся на основных функциях, которые возлагаются на любую SCADA-систему, независимо от того, является она широко тиражируемым продуктом известной компании или создана специалистами отдела АСУ ТП предприятия для своих конкретных нужд.

На русский язык понятие «SCADA-система» (Supervisory Control And Data Acquisition System) переводится как система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. Хотелось бы подчеркнуть, что в названии присутствуют две основные функции, возглавляемые на SCADA- систему:

1) сбор данных о контролируемом технологическом процессе;

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

Характерной особенностью современной SCADA является наличие так называемого MMI (Man Machine Interface) или НМI (Human Machine Interface) – интерфейса взаимодействия оператора через средства визуализации (графический интерфейс) с низкоуровневой автоматикой.

Можно выделить следующие основные требования, предъявляемые к SCADA-системам:

1) Надежность

2) Гибкость

3) Расширяемость

4) Открытость

5) Высокая производительность

6) Совместимость с отечественными и импортными датчиками

7) Совместимость с отечественными и импортными контроллерами

8) Компактность

9) Возможность дистанционного управления

10) Наличие русскоязычного интерфейса пользователя

11) «Гибкий» переход от одной марки к другой в случае циклических технологических процессов, а также в ТП, предусматривающих изменение марки выпускаемой продукции

12) Наличие БД реального времени

13) Возможность резервирования (дублирования)

14) Архивация

15) Интеграция со стандартными промышленными локальными и глобальными вычислительными сетями (LAN и WAN)

16) Безопасная интеграция данных с приложениями других разработчиков

17) Приемлемая цена

Рис. Традиционная структура технических средств АСУ ТП

Согласно традиционной структуре аппаратных средств АСУ ТП, показанной на рисунке, SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем промышленной автоматизации находятся на уровнях 1-3 и обеспечивают выполнение следующих основных функций:

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

2) Сохранение принятой информации в архивах

3) Вторичная обработка

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

5) Прием команд оператора и передача 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 называть сейчас, комплексной информационной системой – КИС)

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

Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо.

Приведенный здесь перечень функций SCADA-системами, естественно, не претендует на абсолютную полноту.

При выборе SCADA нельзя не учитывать тенденции мирового рынка ПО, а также ОС, под управлением которых и функционирует SCADA- система.

Как правило, «средние» SCADA-системы строятся на операционной платформе WINDOWS NT, которая имеет ряд положительных свойств и определенные недостатки.

К положительным свойствам SCADA- систем на платформе WINDOWS NT следует отнести:

- открытость;

- простое в использовании ПО;

- быстрое обучение;

- низкие затраты на обслуживание;

- современный объектный подход.

Отрицательные аспекты:

Существует возможность загрузки непроверенных программ сторонних разработчиков на операторскую станцию и перезаписи ключевых программных компонентов.

Те, кто знаком с ОС WINDOWS, знают, что перезапись DLL (динамически связываемых библиотек) и ОСХ компонентов (ActiveX) является реальной угрозой. Загрузка некорректно работающего приложения стороннего производителя (поставщика) способна привести к отказу рабочей станции.

При общей оценке технологии в промышленности и ее реализации на SCADA-системе необходимо учитывать временные характеристики работы объектов ТП и попытаться оценивать время реакции оператора на то или иное событие, а также период опроса системой датчиков и исполнительных механизмов с выдачей результата (время реакции системы на события). В случае инерционных (растянутых во времени) ТП время реакции оператора и системы является не критичным, а в случае ТП, где требуется немедленная и быстрая реакция оператора или системы на события, необходимо учитывать эти факторы при проектировании системы в виде дополнительных требований к поставщику SCADA-системы.

В состав любой SCADA-системы входят прикладные модули (программы), которые обеспечивают возможность настройки и конфигурирования системы на конкретный ТП (у разных производителей систем эти модули могут по-разному называться, иметь существенные различия, полноту, но обобщенно их можно обозначить таким образом):

- графический модуль с библиотекой готовых форм для построения мнемосхем и их анимации;

- модуль для конфигурирования контроллера;

- модуль управления для построения функциональных блоков, логических цепочек взаимодействия между собой низко уровневой автоматики;

- модуль для организации отчетов, рапортов и трендов;

- модуль обмена т.н. рецептурами;

- модуль обмена данными с приложениями других разработчиков (фирм).

Вообще, современная SCADA должна строиться на передовых сетевых решениях и должны обеспечивать возможность управления с удаленной операторской станции, станции или удаленного контроллера для тех производств, где помимо автоматизации основного производства (ТП), необходимо автоматизировать удаленные отделения основного производства (например: склад сырья, склад готовой продукции, дополнительные производства).

Тонкости и секреты ТП знает лучше всех технолог, не обладающий навыками программирования, поэтому SCADA- системе должна быть присуща максимальная открытость.

Как правило, качество выпускаемого продукта сильно зависит от режима работы технологического оборудования, и управления технологическим оборудованием сводится, например, к стабилизации давлений в колоннах, температур в дефлегматорах, осуществлению равномерного нагрева реакторов, котлов во времени и поддержанию температуры в реакторе или котле, управлению частотой вращения мешалки при смешивании нескольких видов сырья, регулированию подачей теплоносителя и охладителя для равномерного нагрева аппаратов.

При этом контроллер принимает сигналы с термосопротивлений, термопар, пневмоэлектрических преобразователей, опрашивает состояние дискретных и аналогичных датчиков и вырабатывает сигналы, управляющие работой задвижек. Алгоритм управления задвижками можно выбрать при конфигурировании системы из библиотеки алгоритмов SCADA- системы.

В особо опасных производствах существует ряд объектов, для управления которыми требуется дублированные системы. Такие требования обусловлены как действующими нормативными документами, так и возможными последствиями аварии на объекте.

Для систем противоаварийной защиты указанные требования также актуальны.

Актуальна и возможность в случае наступления аварий ной ситуации «безударно» перейти на ручное управление, а после устранения причины аварии вернуться на автоматическое управление.

В заключение можно сказать, что SCADA-система должна быть приспособлена к применению в периодическом и непрерывном управлении, а также представлять собой интегрированную, открытую, экономически эффективную систему, позволяющую решать проблемы повышения производительности при управлении промышленными процессами.

Библиография по разделу

СТА, 1998. – № 3