А рхитектура многоуровневой системы управления технологическими процессами

И.А.

применения таких систем для управления технологическими процессами нефтяной и газовой

промышленности.

реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления

определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.
Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики (измерительные преобразователи) для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные устройства для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным контроллерам (PLC), которые могут обеспечить реализацию следующих функций:
сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии
оборудования и параметрах технологического процесса;
автоматическое логическое управление и регулирование;
исполнение команд с пункта управления;
самодиагностика работы программного обеспечения и состояния самого контроллера;
обмен информацией с пунктами управления.
Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня(см. рис.). В зависимости от

поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции.
Некоторые из них перечислены ниже:
сбор данных с локальных контроллеров;
обработка данных, включая масштабирование;
поддержание единого времени в системе;
синхронизация работы подсистем;
организация архивов по выбранным параметрам;
обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;
работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним
уровнем;
резервирование каналов передачи данных и др.

станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора.
Здесь

же может быть размещен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции).
Часто в качестве рабочих станций используются ПЭВМ типа IBM PC различных конфигураций.

управления. Эти задачи и призвано решать программное обеспечение SCADA, 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.

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 российском рынке представлена широкая гамма контроллеров самых различных конфигураций и назначений.
Что касается программного продукта типа SCADA, то сейчас на российском 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.

устройство в АСУТП для объединения аналоговых и цифровых параметров реального технологического объекта.

Предназначено для ввода сигналов с объекта в автоматизированную систему и вывода сигналов на объект.
SCADA – (Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.
OPC-сервер –
ПЛК (PLC) - Программи́руемый логи́ческий контро́ллер (сокр. ПЛК; англ. programmable logic controller, сокр. PLC; более точный перевод на русский — контроллер с программируемой логикой)

непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового

преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от −5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА;
предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала — ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности;
обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.
Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных. Также в состав УСО могут входить АЦП, устройства дискретного ввода-вывода, микропроцессоры, интерфейсы передачи данных.[1]
Виды УСО по характеру обрабатываемого сигнала:
аналоговые (АЦП, ЦАП и др.);
дискретные;
цифровые.[1]
Типы УСО по направлению прохождения данных:
устройства ввода — получение сигналов датчиков;
устройства вывода — формирование сигналов для исполнительных механизмов;
двунаправленные устройства

основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в

неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека.
ПЛК — устройства, предназначенные для работы в системах реального времени.
ПЛК имеют ряд особенностей, отличающих их от прочих электронных приборов, применяемых в промышленности:
в отличие от микроконтроллера (однокристального компьютера) — микросхемы, предназначенной для управления электронными устройствами — областью применения ПЛК обычно являются автоматизированные процессы промышленного производства в контексте производственного предприятия;
в отличие от компьютеров, ориентированных на принятие решений и управление оператором, ПЛК ориентированы на работу с машинами через развитый ввод сигналов датчиков и вывод сигналов на исполнительные механизмы;
в отличие от встраиваемых систем ПЛК изготавливаются как самостоятельные изделия, отдельные от управляемого при его помощи оборудования.
В системах управления технологическими объектами логические команды, как правило, преобладают над арифметическими операциями над числами с плавающей точкой, что позволяет при сравнительной простоте микроконтроллера (шины шириной 8 или 16 разрядов), получить мощные системы, действующие в режиме реального времени. В современных ПЛК числовые операции в языках их программирования реализуются наравне с логическими. Все языки программирования ПЛК имеют лёгкий доступ к манипулированию битами в машинных словах, в отличие от большинства высокоуровневых языков программирования современных компьютеров.

всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Большинство

управляющих воздействий выполняется автоматически УСО (RTU) или ПЛК (PLC).
Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается RTU или PLC, а SCADA управляет режимами работы. Например, PLC может управлять потоком охлаждающей воды внутри части производственного процесса, а SCADA система может позволить операторам изменять уставки для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные ёмкости, а также следить за тревожными сообщениями (алармами), такими как — потеря потока и высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с обратной связью проходит через RTU или PLC, в то время как SCADA система контролирует полное выполнение цикла.
Сбор данных начинается в RTU или на уровне PLC и включает показания измерительного прибора. Далее данные собираются и форматируются таким способом, чтобы оператор диспетчерской, используя HMI, мог принять контролирующие решения — корректировать или прервать стандартное управление средствами RTU/PLC. Данные также могут быть записаны в архив для построения трендов и другой аналитической обработки накопленных данных.

создание программного обеспечения для автоматизации контроля и управления технологическим процессом

в режиме реального времени. Основная цель создаваемой с помощью SCADA программы – дать оператору, управляющему технологическим процессом, полную информацию об этом процессе и необходимые средства для воздействия на него.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ SCADA-СИСТЕМЫ:
Сбор данных от датчиков и представление их оператору в удобном для него виде, включая графики изменения параметров во времени;
Дистанционное управление исполнительными механизмами;
Ввод заданий алгоритмам автоматического управления;
Реализация алгоритмов автоматического контроля и управления (чаще эти задачи возлагаются на контроллеры, но SCADA-системы тоже способны их решать);
Распознавание аварийных ситуаций и информирование оператора о состоянии процесса;
Формирование отчетности о ходе процесса и выработке продукции.
От надежности, быстродействия и эргономичности SCADA-системы зависит не только эффективность управления технологическим процессом, но и его безопасность.

основном используют такие компоненты, как мониторинг и управление, архивирование технологических

параметров, сообщений, подсистему формирования отчетов.
Мониторинг и управление, собственно, то, для чего и устанавливается система управления. Архивы параметров, сообщений и отчеты необходимы для оценки и анализа ведения технологического процесса, действий оператора и т.д. Также для них важен один из базовых инструментов SCADA – разграничение прав доступа к управлению по уровням (оператор, технолог, инженер АСУТП).
В связи с тенденцией к интеграции систем управления технологическими процессами и систем управления предприятием все чаще возникает необходимость использования SCADA в качестве источника данных для вышестоящих систем. Некоторые SCADA могут выступать и как сервер консолидации всех технологических данных, и как сервер генерации отчетов на базе этих данных.

(к примеру, Siemens SIMATIC), то обмен данными между контроллерами и

SCADA происходит с помощью встроенных драйверов протоколов связи. Некоторые независимые от производителей оборудования SCADA предлагают набор драйверов ко многим (но не всем) имеющимся на рынке контроллерам и интеллектуальными приборам.
Наиболее универсальный способ взаимодействия – это использование драйверов, разработанных в соответствии со стандартом OPC. Такие OPC-серверы могут быть разработаны производителями контроллеров или независимыми разработчиками, а использоваться вместе с любой SCADA- системой.
Для эффективной работы с OPC- серверами SCADA должна использовать их напрямую, по технологии «OPC в ядре системы», а не через промежуточные интерфейсы. Некоторые SCADA являются вертикально-интегрированными: в их состав входят системы программирования для свободно-программируемых контроллеров. В них также используются внутренние драйверы для связи с контроллером. Такие SCADA позволяют создать ПТК с использованием оборудования разных производителей.

уровня: нижний, средний и верхний. Выше них находится уровень управления

производством в целом. Нижний уровень – это сами датчики и исполнительные механизмы Средний уровень – контроллеры. На среднем уровне происходит:
прием входных данных;
первичная обработка данных;
автоматическое формирование и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
обмен информацией с верхним уровнем.

уровне происходит:
сбор, обработка и хранение информации, полученной на среднем уровне;
визуализация

текущей и архивной информации в удобном оператору виде (мнемосхемы, графики, тренды, журналы сообщений);
ввод команд оператора;
формирование отчетности о результатах технологического процесса;
обмен информацией с верхним уровнем.

система управления производством продукции в реальном времени. Этот уровень служит

для планирования производственных заданий для технологических процессов, построения сводных отчетов, глубокого анализа процесса (например, прогнозирование, построение энергетического и материального баланса и др.). Для этих целей также может быть использован инструментарий SCADA.
ERP (Enterprise Resource Planning) – система автоматизированного управления административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия. На этом уровне используются другие специализированные системы, например, SAP R3.

к надёжности, SCADA-системы строятся по одной из следующих архитектур:
Автономные
При использовании

данной архитектуры система состоит из одной или нескольких рабочих станций оператора, которые не "знают" друг о друге. Все функции системы выполняются на единственной (нескольких независимых) станции(ях).
Преимущества: простота.
Недостатки:
низкая отказоустойчивость;
не обеспечивается истинность данных (исторические данные могут отличаться между разными станциями),

Клиент-Серверные
В данном случае система выполняется на сервере, а операторы используют клиентские станции для мониторинга и управления процессом. Высоконадёжные системы строятся на базе двойного либо тройного резервирования серверов и дублирования клиентских станций оператора, дублирования сетевых подключений сервер-сервер и клиент-сервер. При данной архитектуре уже возможно разделение функций SCADA-системы между серверами. Например, сбор данных и управление ПЛК выполняется на одном сервере, архивирование данных - на втором, а взаимодействие с клиентами - на третьем.

Распределенные
При использовании архитектуры распределенной системы управления (РСУ) вычисления осуществляются на нескольких взаимосвязанных вычислительных устройствах, часто с функцией взаимного резервирования. Распределенные SCADA-системы с взаимным резервированием отличаются повышенной надежностью.

в SCADA графического редактора) технологической схемы с визуализацией значений датчиков,

состояния исполнительных механизмов и др. параметров. Для визуализации используется не только отображение значений в виде цифр и надписей, но и изменение визуальных свойств отображаемых графических объектов. Например, в емкости изменяется уровень жидкости, а ее цвет изменяется в зависимости от температуры (динамизация). Исполнительные механизмы могут не просто показывать свое состояние каким-то графическим признаком (например, цветом), но и наглядно показывать свою работу – например, вращением лопастей насоса, движением ленты конвейера и т.п. (анимация).
■ Архивы Получаемые от контроллеров данные SCADA складывает в архивы. Предварительно данные могут быть обработаны (отфильтрованы, усреднены, сжаты и т.п.). Часто используется не регулярная запись, а запись по изменению с использованием порога чувствительности («мертвой зоны»). Длительность хранения настраивается в SCADA индивидуально для каждого параметра и может составлять до нескольких лет.
■ Тренды Тренд – это графическое отображение изменения параметра во времени. Тренды в SCADA- системах могут показывать изменение параметра за всю длительность его хранения в архиве. Оператору предоставляется возможность изменять масштаб, как времени, так и самого параметра. В развитых системах в тренд встроены различные инструменты анализа графика, сравнения его с уставкой или другим параметром, сглаживание или фильтрация, отметки на графике событий (например, нарушение границ) или закладок для памяти и многое другое.
■ Таблицы Зачастую технологу удобнее просматривать архивы не в графическом виде, а в виде таблиц. Обычно эти таблицы можно не только просматривать, но и экспортировать в другие системы.

от других, тоже во времени. Хотя это функция и менее

востребована технологами, чем тренды.
■ Гистограммы и диаграммы Другим распространенным способом представления параметров являются гистрограммы (столбиковые диаграммы).
■ Сообщения Сообщения – это текстовые строки, которые информируют оператора о событиях на объекте в той последовательности, в которой эти события происходят. Они всплывают на экране или отображаются в специально выделенной для этого зоне.
■Журналы сообщений Журналы сообщений служат для отображения списков сообщений в том порядке, как они появлялись и были сохранены в архив. Как правило, используются разные экземпляры журналов для разных зон процесса, разных категорий сообщений, разных приоритетов.
■ Контроль прав доступа Для того, чтобы оператор мог совершить те или иные действия, ему должны быть администратором предоставлены соответствующие права – например, право управлять исполнительным механизмом, или право изменить задание регулятору. В начале смены оператор регистрируется в системе, и она предоставляет ему выполнять только те действия, которые ему разрешены администратором.
■Журнал действий оператора Управление технологическим процессом очень ответственная задача, поэтому все действия оператора записываются для контроля в специальный журнал, который может быть проанализирован в случае нештатных ситуаций.
■ Формирование отчета Удобная среда разработки отчетов позволяет легко и быстро подготовить отформатированные и насыщенные информацией отчеты

программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
Система

реального времени — программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им.
Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
Система логического управления — программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
База данных реального времени — программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.
Система управления тревогами — программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д.

со стандартом OPC (DA, HDA, UA);
Поддержка доступа через Internet;
Поддержка баз

данных;
Встроенные языки программирования;
Средства защиты и надежность;
Интеграция в системы управления;
Техническая поддержка;
Простота разработки и развития;
Простота обслуживания;
Стоимость.

(Wonderware, США); – RSView32 (Rockwell Automation, США); – Genesis64 (Iconics, США); – Vijeo

Citect (Schneider Electric, Франция).

(AdAstra, Москва); – Круг2000 (Круг, Пенза).
В отличие от большинства западных SCADA

все российские содержат встроенные средства программирования контроллеров с использованием языков стандарта МЭК61131-3, в том числе языка функциональных блоков. Причем, если сама SCADA рассчитана на работу в среде Windows на PC-совместимых компьютерах, то исполнительная система для контроллеров может работать и на Logix других платформах, например, Linux на процессоре с архитектурой ARM.
Стандарт OPC поддерживают все перечисленные системы, однако в системе «Trace Mode» упор делается на использование собственных драйверов, а MasterSCADA, хоть и поддерживает использование драйверов, но основывается на технологии «OPC в ядре системы» и предлагает отдельный инструментальный пакет для разработки OPC-серверов.

так и зарубежные, имеют полный функционал для этого класса программ,

поэтому их сравнение по перечню функций в последние годы потеряло смысл.
Основное преимущество российских SCADA – это их изначальная нацеленность на российский рынок (русскоязычная, а не переводная документация, техническая поддержка, уровень цен).
Можно сделать вывод, что для каждого предприятия или даже применения желательно сделать сравнение нескольких SCADA, как по цене, так и по возможностям.
Практически все SCADA имеют пробную версию, которая позволяет проверить ее пригодность для решаемой задачи.