1. Вступ

Відео по SCADA

На цей час SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерське управління і збір даних) є найбільш перспективною технологією автоматизованого управління в багатьох галузях промисловості.

В останні кілька десятиліть за кордоном різко зріс інтерес до проблем побудови високоефективних і високонадійних систем диспетчерського управління та збору даних.

З одного боку, це пов'язано зі значним прогресом в області обчислювальної техніки, програмного забезпечення і телекомунікацій, що збільшує можливості і розширює сферу застосування автоматизованих систем.

З іншого боку, розвиток інформаційних технологій, підвищення ступеня автоматизації і перерозподіл функцій між людиною і апаратурою загострило проблему взаємодії людини-оператора з системою управління. Розслідування та аналіз більшості аварій та подій в промисловості і на транспорті, частина з яких привела до катастрофічних наслідків, показали, що, якщо в 60-х роках ХХ століття помилка людини була первісною причиною лише 20% інцидентів, то в 90-х роках частка людського фактору  зросла до 80%, причому, в зв'язку з постійним вдосконаленням технологій і підвищенням надійності електронного обладнання та машин, частка ця може ще зрости.

Основною причиною таких тенденцій є старий традиційний підхід до побудови АСУ, який застосовується часто і в даний час: орієнтація в першу чергу на впровадження новітніх технічних (технологічних) досягнень, прагнення підвищити ступінь автоматизації і функціональні можливості системи і, в той же час, недооцінка необхідності побудови ефективного людино-машинного інтерфейсу (HMI - Human-Machine Interface), тобто інтерфейсу, орієнтованого на оператора.

Виникла необхідність застосування нового підходу при розробці таких систем, а саме, орієнтація в першу чергу на людину-оператора (диспетчера) і його завдання. Реалізацією такого підходу і є SCADA-системи, які іноді навіть називають SCADA / HMI.

Управління технологічними процесами на основі SCADA-систем стало здійснюватися в передових західних країнах в 80-і роки ХХ століття. У СНД перехід до управління на основі SCADA-систем став здійснюватися кілька пізніше, в 90-і роки.

SCADA-системи найкращим чином застосовні для автоматизації управління безперервними і розподіленими процесами, якими є аграрне виробництво. SCADA-системи також широко застосовуються в наступних областях:

• управління виробництвом, передачею та розподілом електроенергії;
• промислове виробництво;
• водозабір, водоочищення і водорозподілення;
• управління космічними об'єктами;
• управління на транспорті (всі види транспорту: авіа, метро, залізничний, автомобільний, водний);
• телекомунікації;
• військова галузь.

У світі налічується не один десяток компаній, активно займаються розробкою і впровадженням SCADA-систем. Програмні продукти багатьох з цих компаній представлені на нашому ринку.

Крім того, в СНД існують компанії, які займаються розробкою вітчизняних SCADA-систем.

Управління у АСУТП може бути реалізовано з використанням SCADA-систем багатьох виробників з різних країн, наприклад:

• Trace Mode (AdAstra, Росія);
• Infinity (Elesy, Росія);
• GENIE (Advantech, Тайвань);
• Genesys (Iconics, США);
• Real Flex (BJ, США);
• FIX (Intellution, США);
• Factory Suite, InTouch (Wanderware, США);
• Citect (CiTechnologies, США) та ін.

2. Визначення і загальна структура SCADA

SCADA - це процес збору інформації реального часу з віддалених об'єктів для обробки, аналізу і можливого управління цими об'єктами. В SCADA-системах в більшій чи меншій мірі реалізовані основні принципи, такі, як робота в режимі реального часу, використання значного обсягу надлишкової інформації (висока частота оновлення даних), мережева архітектура, принципи відкритих систем і модульного виконання, наявність запасного устаткування, що працює в «гарячому резерві» і ін.

Всі сучасні SCADA-системи включають три основних структурні компоненти.

Remote Terminal Unit (RTU) - віддалений термінал, який здійснює обробку завдання (управління) в режимі реального часу.

Системи реального часу буває двох типів: системи жорсткого реального часу і системи м'якого реального часу.

Системи жорсткого реального часу не дозволяють жодних затримок.

Спектр втілення RTU широкий - від примітивних датчиків, які здійснюють знімання інформації з об'єкта, до спеціалізованих багатопроцесорних відмовостійких обчислювальних комплексів, які здійснюють обробку інформації і управління в режимі жорсткого реального часу. Конкретна його реалізація визначається конкретним застосуванням. Використання пристроїв низькорівневої обробки інформації дозволяє знизити вимоги до пропускної здатності каналів зв'язку з центральним диспетчерським пунктом.

Master Terminal Unit (MTU) - диспетчерський пункт управління

(Головний термінал); здійснює обробку даних і управління високого рівня, як правило, в режимі м'якого реального часу. Одна з основних функцій - забезпечення інтерфейсу між людиною-оператором і системою. MTU може бути реалізований в самому різноманітному вигляді - від одиночного комп'ютера з додатковими пристроями підключення до каналів зв'язку до великих обчислювальних систем і / або об'єднаних в локальну мережу робочих станцій і серверів.

Communication System (CS) - комунікаційна система (канали зв'язку), необхідна для передачі даних з віддалених точок (об'єктів, терміналів) на центральний інтерфейс оператора-диспетчера і передачі сигналів управління на RTU.

3. Функціональна структура SCADA

У назві SCADA присутні дві основні функції, покладені на системи цього класу:

• збір даних про контрольований процес;
• управління технологічним процесом, що реалізовується відповідальними особами на основі зібраних даних і правил (критеріїв), виконання яких забезпечує найбільшу ефективність технологічного процесу.

SCADA-системи забезпечують виконання таких функцій:

1. Прийом інформації про контрольовані технологічних параметрах від контролерів нижніх рівнів і датчиків.
2. Збереження отриманої інформації в архівах.
3. Обробка прийнятої інформації.
4. Графічне представлення ходу технологічного процесу, а також прийнятої і архівної інформації в зручній для сприйняття формі.
5. Прийом команд оператора і передача їх на адресу контролерів нижніх рівнів і виконавчих механізмів.
6. Реєстрація подій, пов'язаних з контрольованим технологічним процесом і діями персоналу, відповідального за експлуатацію та обслуговування системи.
7. Оповіщення експлуатаційного і обслуговуючого персоналу про виявлені аварійні події, пов'язаних з контрольованим технологічним процесом і функціонуванням програмно-апаратних засобів АСУТП з реєстрацією дій персоналу в аварійних ситуаціях.
8. Формування зведень та інших звітних документів на основі архівної інформації. Забезпечення зв'язку із зовнішніми програмами (СУБД, електронні таблиці, текстові процесори і т.д.). В системі управління підприємством такими додатками найчастіше є додатки, зараховують до рівня MES. (MES від англ. manufacturing execution system, система управління виробничими процесами) - спеціалізоване прикладне програмне забезпечення, призначене для вирішення завдань синхронізації, координації, аналізу та оптимізації випуску продукції в рамках якого-небудь виробництва. MES-системи відносяться до класу систем управління рівня цеху, але можуть використовуватися і для інтегрованого управління виробництвом на підприємстві в цілому.
9. Обмін інформацією з автоматизованою системою управління підприємством.
10. Безпосереднє автоматичне керування технологічним процесом відповідно до заданих алгоритмів.

Даний перелік функцій, які виконуються SCADA-системами, не є абсолютно повним, більш того, наявність деяких функцій і обсяг їх реалізації сильно варіюється від системи до системи.

Особливості SCADA як процесу управління

Існує два типи управління віддаленими об'єктами в SCADA системах: автоматичне і зініціюється оператором системи.

Процес управління в сучасних SCADA-системах має наступні особливості:

• процес SCADA застосовується в системах, в яких обов'язкова наявність людини (оператора, диспетчера);
• процес SCADA був розроблений для систем, в яких будь-який неправильне вплив може призвести до відмови об'єкта управління або навіть катастрофічних наслідків;
• оператор несе, як правило, спільну відповідальність за управління системою, яка при нормальних умовах тільки зрідка вимагає підстроювання параметрів для досягнення оптимальної продуктивності;
• активну участь оператора в процесі управління відбувається нечасто і в непередбачувані моменти часу, зазвичай в разі настання критичних подій (відмови, позаштатні ситуації та ін.);
• дії оператора в критичних ситуаціях можуть бути жорстко обмежені за часом (декількома хвилинами або навіть секундами).

4. Організація взаємодії апаратної та програмної частин

паратна відкритість пристроїв SCADA це підтримка або можливість роботи з обладнанням різних виробників з використанням ОРС технології.

Сучасна SCADA не обмежує вибір апаратури нижнього рівня, тому надає великий набір драйверів або серверів вводу-виводу. Якщо для програмної системи визначені і відкриті використовувані формати даних і процедурний інтерфейс, то це дозволяє підключити до неї зовнішні компоненти, що працюють незалежно, в тому числі розроблені окремо програмні і апаратні модулі сторонніх виробників.

Для під'єднання драйверів вводу-виводу до SCADA використовується стандартний динамічний обмін даними OLE (Object Linking and Embeddung), включення і вбудовування об'єктів.

Типова послідовність дій при програмуванні SCADA-системи:

1. Розробити алгоритм зв'язку SCADA з апаратною частиною АС.
2. Розробити і налагодити програмну підтримку цих алгоритмів зв'язку.
3. Сформувати статичні зображення робочих вікон екранів диспетчерського управління: фон, заголовки, мнемосхема процесу тощо.
4. Сформувати динамічні об'єкти для кожного вікна. Як правило, динамічні об'єкти створюються за допомогою спеціалізованого графічного редактора самого SCADA-пакета за жорстко заданим алгоритмом або на основі набору бібліотечних елементів з подальшим присвоєнням параметрів (наприклад, рукоятка на екрані).
5. Реалізувати алгоритми відображення, управління, архівування, документування в модулях проектування екранних форм, архівування, аварійного управління та базі даних.

Структурна схема зв'язку апаратної й програмної частин АС показана на рисунку

Тут показано зв'язок змінних Y, S, W, E, X, Z з їх найменуванням та окремими пристроями АС.

На рисунку 2 показано взаємозв'язок програмного забезпечення різних частин АС з використанням RS-485 на польовому і Ethernet- комунікаційному рівнях і SCADA.

5. Складові SCADA системи

Дані технологічних процесів у сільському господарстві досить специфічні. Вони, як правило, можуть бути представлені у вигляді часових рядів «значення - час». Для їх збору і зберігання практично будь SCADA-пакет повинен мати у своєму складі підсистему реєстрації історичних даних (архів) з можливістю подальшої вибірки необхідних для аналізу даних і їх подання у вигляді трендів. Основна відмінність С один від одного в тому, що одні працюють краще з якимось видом (типом) обладнання, інші з іншим типом. Деякі системи розроблені під обладнання конкретного виробника. У даній лекції в якості програмної основи АС розглядається стандартна система така як система InfinityLite ЗАТ ЕлеСі. Його повнофункціональна конфігурація включає в себе стандартні складові:

1. Server.
2. HistoryServer.
3. Reports.
4. Trends.
5. Arms.
6. HMI.

5.1. Server

Server забезпечує безперервний моніторинг технологічного процесу і передачу сигналів телеуправління в системи автоматики в режимі реального часу. Його основні характеристики:

1.Сбор даних. Це підтримка широко поширених стандартних протоколів для використання в системах автоматики і телемеханіки, таких як: Modbus, Modbus +, Modbus Ethernet, MIEC 870.5, CAN, RP-570, TM120. Управління якістю інформації на вході забезпечує контроль актуальності та достовірності наданої інформації, наявності зв'язку з джерелами даних, справності систем автоматики і комунікаційних пристроїв.

2. Надання даних. Це повідомлення клієнтських додатків про зміни обраних сигналів забезпечує відображення інформації в реальному часі, а також можливість подачі команд управління, введення даних не телемеханізованих вимірювань, зміни межових і контрольних значень, уставок технологічного процесу.

3. Телеуправління. Ця функція забезпечує негайну відправку значення при зміні сигналу в сервері, високу швидкість доставки команд. Контроль якості значень що надсилаються виключають передачу недостовірних команд і уставок.

4. Математична і логічна обробка включає в себе вбудований перерахунок значень з фізичних в інженерні. Процедури обчислення сигналів при змінах дають можливість розрахунку обчислюваних параметрів технологічного процесу та реалізації алгоритмів керування, обчислення за розкладами і таймером забезпечують можливість проведення регламентних розрахунків, ведення лічильників, обчислення облікових даних.

5. Оперативний контроль забезпечує генерацію повідомлень про події та аваріях і повідомлення клієнтських додатків шляхом розсилки пакетів по протоколу OPC AE.

6. Контроль доставки значень телеуправління гарантує передачу команд управління технологічним обладнанням. Сервер повідомляє користувача про результати доставки через спеціальні сигнали відповіді на телеуправління / телерегулювання

5.2. HistoryServer

HistoryServer забезпечує збір і зберігання історії технологічного процесу, і доступ клієнтських додатків до архіву історичної інформації, акумулювання історичних даних.

Точність хронології процесу зазвичай становить він десятків до сотень наносекунд. Застосування алгоритмів фільтрації даних за їх складом, інтервалу часу і порогу чутливості, оптимізує обсяг збережених даних без втрати інформації про стан технологічного процесу. HistoryServer підтримує набір стандартних інтерфейсів доступу до історичних технологічних даних. Підтримка протоколу OPC HDA забезпечує швидкий і зручний доступ до історії зміни технологічних параметрів для будь-якого ОРС-клієнта.

Запит історії з використанням SQL забезпечує доступ до архіву історії для програм, що підтримують протоколи OLE DB, ODBC. Це дає можливість використання історичних технологічних даних в MES системах (системах управління виробничим процесом) для контролю виробничих процесів, при формуванні звітів, в аналітичних задачах оптимізації і планування. Одночасне зберігання історичних даних в декількох історичних архівах забезпечує можливість швидкого доступу до оперативної історії за останню добу і тривале зберігання архівованої інформації.

5.3. OPCReports

OPCReports призначений для підготовки зведень і звітів на основі оперативних та історичних технологічних даних для аналізу стану автоматизованої системи в режимі реального часу, а також зберігання та надання сформованих звітів користувачеві.

Оперативні звіти автоматизують процес створення звітів про стан системи на основі оперативних даних, отриманих від одного і більше OPC DA серверів. Це дозволяє фахівцям і керівникам, які приймають рішення, отримувати точну і повну інформацію про стан автоматизованої системи в зручній формі, як на поточний, так і на минулі моменти часу.

Звіти формуються на основі шаблонів, що визначають їх стильове оформлення і зміст. Шаблони створюються в стандартних форматах таких як е Microsoft Excel

5.4. HMI

HMI - це управління технологічним процесом і відображення в режимі реального часу інформації про хід виконання технологічного процесу. HMI базується на ОРС DA, є повноцінним графічним редактором і RunTime - середовищем виконання мнемосхем. Він забезпечує візуальне проектування і редагування мнемосхем, анімацію графічних об'єктів, має розвинену бібліотеку графічних символів і динамічних об'єктів. Механізм «спливаючих» підказок забезпечує швидке і наочне отримання уточнюючої інформації про технологічний процес. Інструмент «Таблиця» робить зручним процес створення і коригування табличного представлення інформації на мнемосхемі.

Функція «Drag & Drop» виконує копіювання графічних і динамічних об'єктів з однієї мнемосхеми в іншу, забезпечує взаємодію з іншими додатками.

Графічний об'єкт «стрілка» має властивість «приклеювання» (автоматичної прив'язки) до кордонів інших об'єктів.

Динамічний об'єкт «Кнопка з екраном» забезпечує завантаження мнемосхеми, містить зменшене графічне зображення завантажується мнемосхеми.

Динамічний об'єкт «Значення параметра» забезпечує ручне введення значень джерел даних.

Динамічний об'єкт «Кнопка» забезпечує обробку дій користувача і містить набір сценаріїв;

Вбудована система контекстно-орієнтованої допомоги.

Стандартно є можливість підключення в HMI мови програмування Microsoft такого як VBA.

5.5. Trends

Взагалі поняття тренд в автоматиці це журнал подій, що містить значення часу і значення кожного входу і виходу програмованого логічного контролера в цей момент. Побудований за цим значенням графік дозволяє оцінити динаміку технологічного процесу.

Модуль Trends використовується для побудови трендів на основі оперативних, історичних даних, а так само для представлення трендів в табличному вигляді.

Функціональні можливості:

• Відображення декількох графіків в одному полі трендів.
• Можливість роботи в багато віконному режимі.
• Автоматичне і ручне масштабування графіків.
• Одночасне відображення декількох реперних ліній.
• Налаштування без перезапуску параметрів тренда, додавання, видалення і редагування відображуваних сигналів.
• Візуалізація точок перегину тренда забезпечує показ моменту зміни динаміки зміни сигналу.
• Обчислення статистичних характеристик контрольованих параметрів.
• Представлення тренда в табличному вигляді.
• Збереження таблиці значень тренду у форматі * .xls.
• Експорт трендів в графічний файл * .emf.
• Виведення графіків на принтер.

5.6. Alarms

Alarms - це відображення повідомлень про події та аваріях, відображення оперативних повідомлень в режимі реального часу і перегляд історії повідомлень за будь який період.

Функціональні можливості:

• Відображення і квитирование оперативних повідомлень.

• Виділення різними кольорами тексту повідомлень різних типів і важливості.

• Мовне оповіщення про отримання повідомлення. Текст голосового повідомлення формується автоматично і залежить від структури ОРС-тега.

• Фільтрація і сортування історичних повідомлень за призначенням, об'єктам, типами та важливості.

• Гнучкий механізм налаштувань відображення.

.

6. Література

Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2007. - 84 с.

Пономарев О.П. Разработка и эксплуатация автоматизированных информационных систем: Практикум по SCADA-системе Bridge VIEW. - Калининград: Изд-во Ин-та "КВШУ", 2004. - 70 с.

Пономарев О.П. Наладка и эксплуатация средств автоматизации. SCADA-системы. Промышленные шины и интерфейсы. Общие сведения о программируемых логических контроллерах и одноплатных компьютерах: Учебное пособие. - Калининград: Изд-во Ин-та "КВШУ", 2006. - 80 с.

Михеев, В. А. Автоматизация процессов ОМД // Под ред. проф. М.П.Цапенко. –Самара: Изд-во СГАУ, 2012.-167с

Youtube

• Основные принципы создания программы пользователя SCADA-системы ОВЕН Телемеханика ЛАЙТ