Программное обеспечение систем управления

    Клиент-серверная  архитектура предполагает, что вся  информация о технологическом процессе от контроллеров собирается и обрабатывается на сервере ввода/вывода (сервер базы данных), к которому по сети подключаются АРМ клиентов.

    Под станцией-сервером в этой архитектуре  следует понимать компьютер со специальным  программным обеспечением для сбора и хранения данных и последующей их передачи по каналам связи оперативному персоналу для контроля и управления технологическим процессом, а также всем заинтересованным специалистам и руководителям. По определению сервер является поставщиком информации, а клиент – ее потребителем. Таким образом, рабочие станции операторов/диспетчеров, специалистов, руководителей являются станциями-клиентами. Обычно клиентом служит настольный ПК, выполняющий программное обеспечение конечного пользователя. ПО клиента - это любая прикладная программа или пакет, способные направлять запросы по сети серверу и обрабатывать получаемую в ответ информацию. Естественно, функции клиентских станций, а, следовательно, и программное обеспечение, различны и определяются функциями рабочего места, которое они обеспечивают.

    Количество  операторских станций, серверов ввода/вывода (серверов БД) определяется на стадии проектирования и зависит, прежде всего, от объема перерабатываемой в системе информации. Для небольших  систем управления функции сервера ввода/вывода и станции оператора (HMI) могут быть совмещены на одном компьютере.

    В сетевых распределенных системах средствами SCADA/HMI стало возможным создавать  станции (узлы) различного функционального  назначения: станции операторов/диспетчеров, серверы с функциями HMI, “слепые” серверы (без функций HMI), станции мониторинга (только просмотр без прав на управление) для специалистов и руководителей и другие.

    SCADA-программы имеют в своем составе два взаимозависимых модуля: Development (среда разработки проекта) и Runtime (среда исполнения). В целях снижения стоимости проекта эти модули могут устанавливаться на разные компьютеры. Например, станции оператора, как правило, являются узлами Runtime (или View) с полным набором функций человеко-машинного интерфейса. При этом хотя бы один компьютер в сети должен быть типа Development. На таких узлах проект разрабатывается, корректируется, а также может и исполняться. Некоторые SCADA-системы допускают внесение изменений в проект без остановки работы всей системы. Программное обеспечение SCADA-серверов позволяет создавать полный проект системы управления, включая базу данных и HMI.

• Важным аспектом в структурном построении сетевых систем управления является структура базы данных реального времени (централизованная или распределенная). Каждая из структур в SCADA/HMI-системах реализуется разными разработчиками по-разному. От реализации существенно зависят эффективность обеспечения единства и целостности базы данных, ее надежность, возможности модификации и т.д.

    В одних случаях для доступа  к данным на компьютере-клиенте создается  «своя» база данных, копируемая с удаленных  серверов. Дублирование данных может  привести к определенным проблемам  с точки зрения целостности базы данных и производительности системы управления. При модификации базы данных с такой организацией, например, при введении дополнительной переменной потребуются изменения в каждой сетевой копии, использующей эту переменную.

    В других случаях компьютерам-клиентам не требуются копии баз данных. Они получают необходимую им информацию по сети от сервера, в задачу которого входит подержание базы данных. Серверов может быть несколько, и любая часть данных хранится только в одном месте, на одном сервере. Поэтому и модификация базы данных производится только на одном компьютере – сервере базы данных, что обеспечивает ее единство и целостность. Такой подход к структурному построению системы снижает нагрузку на сеть и дает еще целый ряд преимуществ.

• С точки зрения структурного построения SCADA-пакетов различают:

  -  системы, обеспечивающие полный  набор базовых функций HMI;

• системы, состоящие из модулей, реализующих отдельные

    функции HMI.

    Системы, обеспечивающие полный набор базовых  функций, могут комплектоваться  дополнительными опциями, реализующими необязательные в применении функции контроля и управления.

     Во втором случае система создается  полностью модульной (сервер ввода/вывода, сервер алармов, сервер трендов, и т.д.). Для небольших проектов все модули могут исполняться на одном компьютере. В проектах с большим количеством переменных модули можно распределить на несколько компьютеров в разных сочетаниях. Вариант клиент-серверной архитектуры такой системы представлен на рис. 2.2.

    В клиент-серверной архитектуре системы  управления, представленной на рис. 2.2, функции сбора и хранения данных, управления алармами и трендами распределены между тремя серверами. Функция HMI реализуется на станциях-клиентах. 

                                                 Рис. 2.2. Архитектура модульной SCADA.

    Например, SCADA Citect имеет в своем составе пять функциональных модулей (серверов или клиентов):

• I/O - сервер ввода/вывода. Обеспечивает передачу данных между

        физическими устройствами ввода/вывода  и другими модулями Citect.

• Display - клиент визуализации. Обеспечивает операторский интерфейс: отображение данных, поступающих от других модулей Citect, и управление выполнением команд оператора.
• Alarms - сервер алармов. Отслеживает данные, сравнивает их с

        допустимыми пределами, проверяет  выполнение заданных условий и

        отображает алармы на соответствующем  узле визуализации.

• Trends - сервер трендов. Собирает и регистрирует трендовую

            информацию, позволяя отображать  развитие процесса в реальном 

            масштабе времени или в ретроспективе.

• Reports - сервер отчетов. Генерирует отчеты по истечении

            определенного времени, при возникновении  определенного события 

        или по запросу оператора.                               

    В одной сети можно использовать только один сервер алармов, сервер трендов и сервер отчетов. В то же время допускается использование нескольких серверов ввода/вывода (I/O Server). Количество компьютеров с установленным модулем Display (обеспечивающим операторский интерфейс) в сети практически не ограничено.

3. SCADA как открытая система

    Распространение архитектуры «клиент-сервер» стало возможным благодаря развитию и широкому внедрению в практику концепции открытых систем. Главной причиной появления и развития концепции открытых систем явились проблемы взаимодействия программно-аппаратных средств в локальных компьютерных сетях. Решить эти проблемы можно было только путем международной стандартизации программных и аппаратных интерфейсов.

• Концепция открытых систем предполагает свободное взаимодействие программных средств SCADA с программно-техническими средствами разных производителей. Это актуально, так как для современных систем автоматизации характерна высокая степень интеграции большого количества компонент. В системе автоматизации кроме объекта управления задействован целый комплекс программно-аппаратных средств: датчики и исполнительные устройства, контроллеры, серверы баз данных, рабочие места операторов, АРМы специалистов и руководителей и т. д. (рис. 2.3). При этом в одной системе могут быть применены технические средства разных производителей.

    Рис. 2.3. Интеграция SCADA в систему управления.

    Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система  должна обеспечивать высокий уровень  сетевого взаимодействия.

    Реализация  этой задачи требует от SCADA-системы наличия типовых протоколов обмена с наиболее популярными промышленными сетями, такими, как Profibus, ControlNet, Modbus и другими.

    С другой стороны, SCADA-системы должны поддерживать интерфейс и со стандартными информационными сетями (Ethernet и др.) с использованием стандартных протоколов (TCP/IP и др.) для обмена данными с компонентами распределенной системы управления.

    Практически любая SCADA-система имеет в своем составе базу данных реального времени и подсистему архивирования данных. Но подсистема архивирования не предназначена для длительного хранения больших массивов информации (месяцы и годы). Информация в ней периодически обновляется, иначе для нее просто не хватит места. Рассматриваемый здесь класс программного обеспечения (SCADA - системы) предназначен для обеспечения текущей и архивной информацией оперативного персонала, ответственного за непосредственное управление технологическим процессом.

    Информация, отражающая хозяйственную деятельность предприятия  (данные для составления материальных балансов установок, производств, предприятия в целом и т. п.), хранится в реляционных базах данных (РБД)  типа Oracle, Sybase и т. д. В эти базы данных информация поставляется либо с помощью ручного ввода, либо автоматизированным способом (посредством SCADA-систем). Таким образом, выдвигается еще одно требование к программному обеспечению SCADA - наличие в их составе протоколов обмена с типовыми базами данных.

    Наиболее  широко применимы два механизма  обмена:

• ODBC (Open Data Base Connectivity - взаимодействие с открытыми базами данных) – международный стандарт, предполагающий обмен информацией с РБД посредством ODBC-драйверов. Как стандартный протокол компании Microsoft, ODBC поддерживается и наиболее распространенными приложениями Windows;
• SQL (Structured Query Language) – язык структурированных запросов.
• Программное обеспечение SCADA должно взаимодействовать с контроллерами для обеспечения человеко-машинного интерфейса с системой управления (рис. 2.3). К контроллерам через модули ввода/вывода подключены датчики технологических параметров и исполнительные устройства (на рис. 2.3 не показаны).

    Информация  с датчика записывается в регистр  контроллера. Для ее передачи в базу данных SCADA-сервера необходима специальная программа, называемая драйвером. Драйвер, установленный на сервере, обеспечивает обмен данными с контроллером по некоторому физическому каналу. Но для реализации обмена необходим и логический протокол.

    После приема SCADA-сервером сигнал попадает в базу данных, где производится его обработка и хранение. Для отображения значения сигнала на мониторе рабочей станции оператора информация с сервера должна быть передана по сети клиентскому компьютеру. И только после этого оператор получит информацию, отображенную изменением значения, цвета, размера, положения и т. п. соответствующего объекта операторского интерфейса.

    Большое количество контроллеров с разными  программно- аппаратными платформами  и постоянное увеличение их числа  заставляло разработчиков включать в состав SCADA-системы большое количество готовых драйверов (до нескольких сотен) и инструментарий для разработки собственных драйверов к новым или нестандартным устройствам нижнего уровня.

    Для взаимодействия драйверов ввода/вывода и SCADA до недавнего времени использовались два механизма (рис. 2.4):

• DDE (Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными);
• обмен по собственным (известным только фирме-разработчику) протоколам.

    Рис. 2.4. Обмен информацией с помощью  DDE-протокола.

    Взамен DDE компания Microsoft предложила более  эффективное и надежное средство передачи данных между процессами – OLE (см. ниже). А вскоре на базе OLE появился новый стандарт OPC, ориентированный на рынок промышленной автоматизации.