SCADA - системы в АСУТП
В настоящее время на всех уровнях создаваемых АСУТП используются программируемые технические средства, в которые должно быть установлено программное обеспечение требуемых функциональных задач. В общем случае это программное обеспечение должно включать в себя программное обеспечение УСО, осуществляющих связь с ТОУ, и прикладное программное обеспечение АРМов (ППО), решающее задачи их связи с УСО и организации «человеко-машинного интерфейса» HMI (Human-MachineInterface) для лиц, принимающих управленческие решения: операторов, диспетчеров, управленцев.
В данной главе рассмотрим современные принципы разработки ППО АРМов разных уровней АСУТП.
ППО разрабатывается в соответствии с проектной документацией на этапе создания АСУТП и предназначается для установки в АРМы, которые должны отслеживать текущее состояние отдельных ТхО и ТП в целом, обеспечивать возможности принятия управленческих решений и формирования управленческих воздействий как с целью оперативного изменения параметров ТП, так и с целью организационного воздействия на службы, обеспечивающие выполнение ТП в соответствии с регламентом. Таким образом, разрабатываемое ППО должно быть ориентировано как на решение задач управления оборудованием при взаимодействии с ТП, так и организации эффективного взаимодействия типа «человек (лицо принимающее управленческие решения на определенном уровне, в определенном объеме функций) – система». При этом принципиальной особенностью ППО, разрабатываемого для АСУТП, является необходимость решения указанных задач в режиме реального времени, в котором нормируется время реакции на каждое возмущающее воздействие как со стороны ТП, так и со стороны АРМ.
При разработке ППО любой сложности всегда существует проблема: как добиться того, чтобы разработчики АСУТП и технологи, для которых создается АСУТП, могли на понятном обоим языке отследить полноту технических требований к автоматизации отдельных ТхО или всего ТП и сделать это наиболее эффективно. Если на уровне взаимодействия АРМов с ТОУ задачи программирования могут быть четко сформулированы на основе математических описаний законов управления, то на уровне HMI таких законов нет. Поэтому встал вопрос: каким образом можно описать человеко-машинный интерфейс применительно к решению определенных задач достаточно формализовано, чтобы исключались разночтения сформулированных требований к автоматизации не только разными специалистами, но и одними и теми же специалистами, но на разных стадиях создания системы.
Разработки ППО для АСУТП выполняются уже в течение нескольких десятилетий и среди разных подходов к выполнению таких разработок наиболее перспективными оказались те, которые основывались на использовании метода визуального программирования. Этот метод получил активное развитие в SCADA.
SCADA – это SupervisorControlAndDataAcquisition (оперативное управление и сбор данных), т. е. в самом названии указаны два функциональных назначения:
− сбор данных о технологическом процессе и представление их в удобной форме лицам, принимающим управленческие решения;
− управление технологическим процессом, реализуемое человеком, на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает эффективность функционирования технологического процесса.
Как правило, SCADA употребляется вместе со словом «система». SCADA-система – это программный продукт. Добавление «система » показывает составной характер этого продукта, в котором различают:
– набор инструментальных программных средств, предназначенных для решения при разработке ППО АСУТП разных функциональных задач;
– набор исполнительных программных средств: runtime, поддерживающих выполнение исполнительных функций на этапе эксплуатации разработанного ППО АСУТП.
Применение SCADA-системы при создании ППО обеспечивает:
1) возможность мнемосхемного отображения ТП в форме, удобной для восприятия не только операторами и диспетчерами, но и специалистами технологических служб предприятия. Разработка мнемосхемных отображений осуществляется с использованием выразительных технологических «образов» и мультипликантов органов управления различных типов (см. рис.7.1). Например: органы управления в виде кнопок управления, рубильников, ползунковых или поворотных задатчиковуставок регуляторам; экранные формы отображения параметров процесса типа цифровых табло, стрелочных, полосковых или цифровых многопозиционных индикаторов; графики изменения измеряемых величин; сигнализирующие табло различной формы и тематического содержания;
2) взаимодействие АРМ с различными типами внешних устройств, осуществляющих связь с объектом, с использованием необходимых драйверов, поддерживающих работу этих устройств;
3) поддержку функционирования ППО в реальном времени, то есть с нормированным временем отклика системы на внешние события;
4) прием от устройств, взаимодействующих с ТП, информации об измеряемых и контролируемых технологических параметрах, с фиксированием этих событий в координатах текущего времени (дата, час., мин, сек);
Рис. 7.1. Мнемосхемное представление объекта |
5) обработку измерительной информации, представляемой результатами измерений требуемой размерности. Результаты измерений при этом контролируются относительно граничных значений допустимого диапазона или скорости измерения измеряемых величин, а также представляются в различных графических формах;
6) оповещение (световое, звуковое) эксплуатационного и обслуживающего персонала об аварийных событиях, о недопустимых условиях функционирования технологического оборудования или оборудования автоматики; обязательная архивная регистрация как аварийных сообщений, так и действий эксплуатационного персонала в аварийных ситуациях;
7) ведение архивов событий, происходящих при управлении ТП: формируются архивы временных состояний системы (полное или выборочное сохранение параметров процесса через заданные промежутки времени постоянно или по условию), а также архивы аварий, событий и поведения переменных процесса во времени (так называемые тренды);
8) возможность диспетчерского или операторского управления ТП или ТхО путем формирования команд управления с передачей их в адрес соответствующих УСО; фиксирование управляющих действий лица, принимающего управленческие решения, в архивах событий;
9) формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации и в требуемой форме представления;
10) непосредственное автоматическое управление ТхО по заданным алгоритмами, выполнение математических и логических вычислений при реализация алгоритмов формирования управляющих воздействий в зависимости от характеристик объекта в том числе в режимах «советчика», супервизорного управления, прямого цифрового управления, а также выбор необходимых алгоритмов из специальной библиотеки;
11) возможность защиты от несанкционированного доступа к управлению объектом;
12) возможности многооконного графического интерфейса и других очевидных функций, таких как импорт изображений, создание собственных библиотек динамических объектов, элементов мнемосхем и т. п.
Таким образом использование SCADA-технологии обеспечивает практически неограниченные возможности в реализации функций: сбора информации о ТП; автоматического управления отдельными ТхО и разных методов автоматизированного управления ТП в целом; индивидуального решения в каждом АРМ интерфейса интерактивного взаимодействия типа «человек-система» с использованием мнемонических интуитивно понятных изобразительных образов; сохранения истории изменения управляемого процесса и истории формирования управляющих воздействий; активного взаимодействия с другими средствами, позволяющими создавать изображения, которые могут быть заимствованы для решения задач визуализации в рамках конкретного проекта. Еще раз обратим внимание на то, что SCADA-технология только «обеспечивает возможности » разработчикам ППО, позволяя: сократить сроки и существенно снизить трудоемкость разработки ППО; обеспечить «прозрачность» программных решений и принцип их последовательного развития; повысить надежность принятых в ППО решений и т. д. Как эти возможности будут реализованы в рамках конкретного проекта – это уже будет зависеть от проектного решения, от способностей разработчика ППО, от возможностей выбранной SCADA-системы.
Как уже было отмечено выше, исключительно важным при использовании SCADA-технологии является возможность организации продуктивного диалога разработчиков ППО с технологами автоматизируемого ТП на понятном обеим сторонам языке визуальной реализации функций управления создаваемой АСУТП. Суть такого диалога проявляется в том, что разработка ППО начинается как бы «с конца», т. е. с разработки отображения мнемосхемы технологического процесса с учетом функций автоматизированного управления, определения форм представления измерительной и сигнализирующей информации, состава и форм ведения архивных данных. В процессе диалога на уровне согласования выбираются предпочтительные формы интерфейса «человек-система» при решении задач контроля и управления на уровне каждого АРМ. И только после такого диалогового согласования всех вопросов, определяющих, фактически, назначение АСУТП, разработчики системы могут приступать к разработке низовой части АСУТП под уже отработанные и согласованные интерфейсы «человек-система» без опасения, что что-то из требований заказчика «не так понято», что-то упущено, а что-то оказывается лишним.
Подход к созданию ППО АСУТП основанный на технологии визуального программирования отразился в появлении очень характерного рекламного слогана фирмы АдАстра: «Нарисуй свою АСУТП!», который, конечно же, нельзя понимать буквально, но который характеризует особенности метода проектирования АСУТП с использованием SCADA-технологии.
Об эффективности SCADA-технологии свидетельствует тот факт, что практически каждый год на рынке появляется новый SCADA-продукт. Это тот случай, когда спрос рождает предложения. В настоящее время в России проектировщикам предоставлен большой выбор SCADA [см., например, сайты: insat.ru, www.adastra.ru, krug2000.ru и возникает необходимость выбора определенной SCADA для реализации задач конкретного проекта.
Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призвано решать программное обеспечениеSCADA, ориентированное на разработку и поддержание интерфейса между диспетчером/оператором и системой управления, а также на обеспечение взаимодействия с внешним миром.
· Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами посредством физических линий, а с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода - с помощью специализированных сетей.
Связь удаленных контроллеров с контроллерами верхнего уровня (концентраторами) часто реализуется по радио и телефонным каналам. В случае небольших расстояний локальные контроллеры объединяются между собой и с верхним уровнем управляющими сетями на базе витой пары, оптоволокна.
Связь различных АРМ оперативного персонала и специалистов между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей (витая пара, оптоволокно).
Спектр реализаций RTU в таких системах управления достаточно широк. Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Это могут быть промышленные компьютеры (PC-совместимые контроллеры) или программируемые логические контроллеры (PLC/ПЛК). На эстонском рынке представлена широкая гамма контроллеров самых различных конфигураций и назначений.
Что касается программного продукта типа SCADA, то сейчас на рынке присутствует несколько десятков открытых SCADA-пакетов, обладающих практически одинаковыми функциональными возможностями.Тем не менее, каждый SCADA-пакет является по-своему уникальным, и его выбор для конкретной системы автоматизации по-прежнему остается актуальным.
Выбор коммуникационного программного обеспечения (протоколов обмена информацией) для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, и выбранным SCADA-пакетом.
Управление технологическими процессами сводится к управлению оборудованием - центробежными насосами, групповыми замерными установками, запорной арматурой. Управление реализуется командами открыть, закрыть, включить, выключить (дискретное управление). Практически отсутствует непрерывное управление технологическими параметрами с обратной связью. Широко развиты функции контроля, сигнализации аварийных ситуаций, блокировок.
С другой стороны, многие технологические процессы сосредоточены на сравнительно небольших площадях. Контроллеры, как правило, устанавливаются в отапливаемых помещениях и с точки зрения условий эксплуатации к ним предъявляются менее жесткие требования. Взаимодействие контроллеров между собой и с верхним уровнем реализуется посредством специализированных сетей. Объемы автоматизации существенны, а отсюда вытекают свои требования к «интеллекту» контроллеров и количеству поддерживаемых вводов/выводов.
Объектами управления в технологических процессах являются насосные и компрессорные агрегаты, цеховые и станционные задвижки, вспомогательное оборудование и т. п. Для многих технологических участков характерны контроль параметров, сигнализация отклонений и дискретное управление оборудованием. Часто эти объекты удалены от пунктов управления на значительные расстояния. В то же время насосные и компрессорные станции - «компактные» объекты, при автоматизации которых наряду с контролем, сигнализацией и дискретным управлением реализуются функции непрерывного управления (регулирования).
По-другому строится управление процессами сланцехимии и сланцепереработки. Наряду с задачами контроля и сигнализации отклонений здесь широко развиты функции стабилизации технологических параметров в режиме собратнойсвязью (непрерывное управление). Схемы автоматизации установок сланцепереработки и сланцевой энергетики включают десятки, а то и сотни контуров регулирования. Управление такими процессами требует применения более сложных алгоритмов (каскадные системы, системы с компенсацией возмущений, системы со взаимозависимыми параметрами, адаптивные системы, системы оптимального управления). Остаются функции контроля, сигнализации, блокировок.
Таким образом, каждый объект отрасли обладает своими особенностями с точки зрения его автоматизации. Исходя из этих особенностей, выдвигаются и соответствующие требования к архитектуре, а также аппаратным и программным средствам АСУТП.
Для автоматизации непрерывных технологических процессов наиболее адаптированы DCS-системы. Х арактерная черта управляющих процессоров (контроллеров) DCS-систем - способность поддерживать большое количество контуров ПИД-регулирования.
Для рассредоточенных объектов, применяют системы, построенные на базе PLC и программного обеспечения SCADA. Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления функциями большого количества распределенных устройств (часто находящихся на большом расстоянии друг от друга и от диспетчерского пункта). Количество возможных устройств, работающих под управлением систем диспетчерского контроля и управления, велико и может достигать нескольких сотен. Для этих систем наиболее характерной задачей является сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными (удаленными) терминальными устройствами (RTU).
Программно-аппаратные средства автоматизированных систем
Для управления непрерывнымитехнологическими процессами (заводскими) существуют специализированные программно-аппаратные средства, которые получили название DistributedControlSystems –DCS (распределенные системы управления - РСУ).
Если контроллеры в свое время пришли в автоматизацию для обработки дискретных сигналов, то DCS-системы изначально предназначались для работы с аналоговыми сигналами. Именно аналоговые сигналы датчиков температуры, давления, уровня, расхода определяют состояние технологических процессов химических производств и сланцепереработки. Одна из основных задач управления такими процессами – стабилизация большого количества технологических параметров, которые часто являются взаимозависимыми. Но это не означает, что современные DCS-системы не адаптированы для работы с дискретными сигналами.
Любая DCS-система – это система, включающая в себя все компоненты системы управления: контроллеры (управляющие процессоры), сети и интерфейсы связи, программное обеспечение станций операторов, инжиниринговых станций. Все эти программно-аппаратные средства называются системой, более того, интегрированной системой, так как взаимодействие всех компонентов такой системы (и программных, и аппаратных) обеспечено фирмой - производителем. Понятно, что в этом случае можно говорить о высокой степени готовности этих средств и высокой надежности, так как это взаимодействие “оттачивается” многими годами в “лабораторных” условиях специалистами самой фирмы.
Этого не скажешь о SCADA-системах, когда созданием системы управления занимаются фирмы - системные интеграторы. Приходится “стыковать” программно-аппаратные средства разных производителей в рамках реального времени, отпущенного на разработку проекта. Для приобретения опыта (который, как известно, приходит не сразу) требуется время.
Трудно описать все тонкости и нюансы выбора того или иного подхода к созданию системы управления. Этот выбор определяется очень многими факторами и в каких-то случаях очевиден и однозначен.
Утверждать можно лишь следующее. Сегодня выбор DCS-системы обойдется потребителю дороже (в среднем) по сравнению с выбором PLCиSCADA. Но желание сэкономить, в свою очередь, может привести к отрицательному результату.