SCADA системы как инструмент проектирования АСУ ТП

Введение

Деятельность SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) определена развитием СУ результатами научно-технической деятельности. Использование SCADA-технологий повышает достижение большого уровня автоматизации в решении задач разработки СУ, обработки, сбора, передачи, хранения и отображения данных. Полнота и наглядность представляемой на экране информации, дружественность человеко-машинного интерфейса (HMI/MMI - Humain/Man Machine Interface), предоставляемого SCADA-системами, удобство пользования подсказками и справочной системой, доступность «рычагов» управления и т. д. увеличивают эффективность взаимодействия системы с диспетчером и приводят к минимуму его опасные шибки при взаимодействии. Нужно заметить, что концепция SCADA, основу которой составляет автоматизированная разработка и управление в реальном времени, решает еще ряд задач - минимизация сроков разработки проектов по автоматизации и прямых денежных трат на их создание. Управление тех процессами на основе SCADA систем стало осуществляться в западных странах в 80-е годы. Область их применения охватывает нелегкие отрасли водо- и электроснабжения, нефтехимические, химические и нефтеперерабатывающие промышленности, жд транспорт, транспортировка газа и нефти и др.

В нашей стране SCADA опиралось, главным образом, на опыт оперативного персонала. Уход к управлению на основе SCADA-систем осуществился позже. В мире можно найти немало компаний, занимающихся внедрением и разработкой SCADA-систем. К трудностям освоения в РФ новой информационной технологии - SCADA-систем - относятся как нехватка эксплуатационного опыта, так и отсутствие информации о различных SCADA-системах.

Выбрать подходящую SCADA-систему является трудной задачей. Повышение квалификации будущих специалистов по эксплуатации и разработке систем управления на базе SCADA систем производится на ематических курсах различных производителей SCADA систем, курсах повышения квалификации. На данный момент в учебные планы ряда технических институтов начали вводиться предметы, связанные с изучением SCADA-систем. Хотя специализированные учебники по SCADA-системам отсутствует, есть лишь некоторые статьи и рекламные буклеты.

SCADA системы как  инструмент проектирования АСУ  ТП

Рассматриваются вопросы, связанные с использованием SСАDА-систем как инструмента проектирования верхнего уровня А СУ ТП: этапы создания, функциональные и эксплуатационные характеристики SСАDА-систем, интеграция многоуровневых систем автоматизации, сравнительный анализ и тестирование SСАDА-систем. Используются результаты, полученные в МГТУ им. Н. Э. Баумана на протяжении последних лет.

Современные методы управления производственными процессами на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий. Конец XX столетия и начало третьего тысячелетия характеризуются широким проникновением Интернет-технологий в производство. Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала.

Однако практика эксплуатации сложных производственных систем показывает, что ограниченная формализация основополагающих этапов проектирования АСУ ТП может привести к невозможности достижения поставленных целей, к получению результатов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями, методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального (оптимального) управления в изменившихся условиях.

В ответ на поставленные проблемы появились так называемые "коробочные" решения в области проектирования АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня АСУ ТП (уровень SСАDА-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - ЕRР-систем).

Однако применение SСАDА-систем, особенно для разработчиков проектов, - это не просто "click...click", это еще и огромный набор технологий. Компаниям, представляющим SСАDА-системы на российском рынке, необходимо включать в свои информационные материалы не только перечисление свойств и возможностей конкретной SСАDА-системы, но и технологии, обеспечивающие эти свойства.

В имеющейся на сегодняшний день литературе по SСАDА-системам в большей степени внимание уделено уже ставшему традиционным набору свойств и характеристик SСАDА-систем; значительно меньше внимания уделено появившимся новым информационным технологиям для связи SСАDА-систем с другими составляющими АСУ ТП, в частности, ОРС-серверам (OLE for Process Control), расширениям реального времени для Windows NT, а также моментам, которые ранее не часто находили отражение в публикациях - о нише SСАDА Основная цель работы заключается в рассмотрении теоретических основ, моделей и методов формализации этапов проектирования АСУ ТП на примере SСАDА-систем - систем для формирования единой методологии разработки АСУ ТП с помощью современных вычислительных средств.

Средством достижения поставленной цели является теоретическое обобщение существующих в этой области локальных результатов и разработка новых подходов к формализации основных этапов проектирования АСУ ТП.

Толчком к появлению работы послужила отечественная SСАDА-система Трейс Моуд, опыт работы с которой накоплен в учебно-научном центре "Интеллектуальные системы" при МГТУ им. Н. Э. Баумана с 1994 г.

SCADA: задачи, решаемые  на верхнем уровне АСУТП

Задачи, решаемые на верхнем уровне АСУТП:

- прием и сохранение в архивах принятой информации о контролируемых технологических параметрах от оборудования нижестоящего уровня (контроллеров и датчиков);

 - обработка принятой информации в реальном масштабе времени: математическая обработка информации от «нижнего» уровня с целью получения реальной картины состояния всего технологического процесса;

- сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными значениями и формирование сигналов управления, а также предупредительной и аварийной сигнализации;

- сохранение принятой информации в единой базе данных;

- отображение хода технологического процесса в виде мнемосхем, трендов (графиков изменения параметров во времени), индикаторов;

- хронометрирования основных технологических параметров, формирование протокола событий и архивных данных;

- обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием. прием команд оператора и передача их контроллерам и исполнительным механизмам;

- непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами и технологическими регламентами;

- регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы;

- оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУТП, с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях;

- формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации;

SCADA: подсистема  защиты

Пользователи АРМ разделены на группы: операторы и администраторы. Возможности операторов в системах управления должны быть ограничены, чтобы они не могли изменять ключевых настроек, которые могут вызвать некорректную работу системы. Администратор должен иметь доступ ко всем приложениям системы для устранения сбоев в системе при ее некорректной работе.

Она ограничивает доступ к:

- приложениям системы;

- критическим функциям приложений;

- файлам экранов оператора;

- блокам базы данных.

В первую очередь при разработке стратегии  защиты были созданы компактные списки входа групп – оператор и администратор. Такой подход минимизирует количество работы, необходимой для создания списков, и в то же время обеспечивает гибкость и эффективность. Вместо создания четырех операторских списков, с которыми были бы связаны одни и те же элементы приложения, создан один список входа группы с определенными привилегиями и назначен четырем операторам.

Для администратора сформирован отдельный список входа. После создания списков  входа групп были назначены остальные привилегии индивидуальным спискам входа пользователя. Списки входа пользователя определяют защищенные зоны, списки входа групп и элементы приложения, доступные отдельным пользователям. Операторы входят в систему вручную, используя специальную программу Login (Вход). Данная программа позволяет пользователям ввести их входные имена и пароли.

Программа Login дает возможность сделать три попытки правильного ввода входного имени и пароля. После третей неудачной попытки программа Login закрывается. Пользователи могут пытаться войти в систему, перезапустив программу Login. В SCADA-системе ведется контрольный журнал защиты, в котором записываются сведения о каждой попытке входа. Читая контрольный журнал можно узнать:

- кто входил в систему и выходил из нее;

- когда оператору не удалось завершить процесс входа в систему;

- когда кто-либо пытался получить доступ к элементу приложения, для которого он не имел привилегий.

SCADA: требования  к системам верхнего уровня

Требования к системам верхнего уровня:

- они должны работать только с технологической информацией, отражающей основной технологический процесс. Поэтому АРМы должны быть сориентированы на работу в терминах и понятиях технологического процесса;      

- обеспечение открытости, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами;

- мощной, иметь гибкие средства, обеспечивающие пользователю эффективное создание экранных форм с минимальными затратами труда и времени(максимальная автоматизация рутинных процессов);

- простоту разработки приложений  и доступной не только для разработчика, но и для конечного пользователя создаваемой АСУТП, поскольку облик системы определяется и может подвергаться изменениям как разработчиком, так и пользователем (возможность самообучения специалистов);

- максимально открытой, во-первых, иметь возможность сопряжения с различными продуктами других фирм (ПО технологических контроллеров, СУБД, другими SCADA), во-вторых, иметь в наличии мощный и универсальный скриптовый язык и, в-третьих, иметь возможность встраивания в SCADA готовых компонентов (в первую очередь – ActiveX);

- масштабируемой и полнофункциональной, позволяющей создавать проекты разного масштаба от сотен сигналов до десятков тысяч и для различных задач промышленной автоматизации;

- надежность (технологическая и функциональная)–быть устойчивой к ошибкам во внешних компонентах и к некорректным действиям обслуживающего персонала, т.е.: никакой единичный отказ оборудования не должен вызнать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления; все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).эффективной – обеспечивать необходимую функциональность и быстродействие при ограниченных требованиях к компьютеру;

- иметь умеренную цену на основное ПО и на лицензии исполнительных модулей пакета.

- средства компьютерной защиты информации, разграничение ответственности пользователей;

- предоставление обслуживающему персоналу гибкий инструментарий для анализа поступающей информации .В стандартный набор типовой SCADA, как правило, не входят средства для решения и гибкого анализа, а возможности, предоставляемые стандартными SCADA-пакетами,  являются явно недостаточными для выполнения полноценного, детального анализа поступающей информации. Для увеличения отдачи от системы автоматизации в ее состав должна входить некоторая надстройка, обеспечивающая выполнение функций анализа, формирования технологических и технико-экономических балансов для технологических объектов/узлов, включая приведенные, расчетные и удельные показатели, построения сравнительных таблиц, графиков, диаграмм с произвольным набором параметров, указанных пользователем и т.п.

Технические средства верхнего уровня:

- операторские станции, организующие информационное сопровождение и оперативное управление технологическим процессом;

- инженерные станции, организующие доступ инженера к программному обеспечению для отладки и тестирования;

- промышленный сервер   - обеспечивает ввод и обработку информации, формирование алгоритмов управления и вывод управляющих воздействий в схемы управления арматурой и механизмами, накопление в реальном масштабе времени и надежное длительное хранение больших объемов технологической информации, а также доступ к ней с большого числа операторских и  инженерных станций;