В ходе истории изменялся характер объектов управления и способ управления. Непрерывную во времени картинку развития АСУТП можно разделить на 3 этапа:
характеризуется внедрением систем автоматического регулирования. Здесь объектами управления являются отдельные параметры, узлы или агрегаты. Решение задачи стабилизации, программного управления, слежения переходят от человека системам автоматического регулирования. У человека появляются функции расчета и задание параметров настройки регулятора.
Автоматизация технологического процесса. Объектом управления является рассредоточенная в простронстве система. С помощью САУ реализуется требуемый закон управления, решаются задачи оптимального и адаптированного управления и т.д. Характерной особенностью является внедрение системы телемеханики. Человек все больше удаляется от объекта управления. Между ними возникает ряд измерительных систем, ИМ , средств ввода и отображения информации и т.д.
АСУТП характеризуется внедрением в управление ТП вычислительной техники, начиная от средств сбора информации с объекта управления и заканчивая системами диспетчерского управления на основе распределенных вычислительных компонентов.
На третьем этапе человек в системе управления стал выполнять роль диспетчера.
Фактически его задачей является контроль за работой системы, настройка системы и обработка внештатной ситуации. Для своевременного реагирования на возникновение внештатной ситуации диспетчер должен располагать удобным АРМ. Такие АРМ создаются и выполняются в SCADA - системах.
Рис.6 Зависимость человек – оборудование
С увеличением сложности и надежности технологического оборудования человек-оператор оказался беззащитен перед поступающим объемом информации. Это и обусловило внедрение систем диспетчерского управления, в которых функции управления разделены между человеком и системой, и человек снабжен специализированным АРМ.
SCADA (Supervisory for Control And Data Acquision- диспетчерское управление и сбор данных). Особенности SCADA
дружественность человеко-машинного интерфейса
полнота и наглядность представляемой информации
доступность элементов управления
В рамках концепции диспетчер SCADA должен быть обесечен легким интерфейсом.
Структура SCADA-системы
Рис. 7 Структура SCADA- систем.
RTU -Remote Terminal Unit MTU- Master Terminal Unit CS - Communication System
RTU - удаленный терминал, осуществляющий управление в режиме реального времени, часто реализуется в виде промышленного контроллера. Использование RTU позволяет разделить задачу управления на локальные подзадачи и снизить трафик в системе. MTU - диспетчерский пульт управления осуществляет обработкуданных и управление высокого уровня, как правило в режиме мягкого(квазимягкого) реального времени. Одна из его основных функций - обеспечение интерфейса человек-оператор - может быть реализовано как в виде одиночной АРМ, так и в виде распределенной системы, объединенной в локальную сеть. CS - коммуникационная система(каналы связи) необходима для передачи данных с ОУ на интерфейс оператора и диспетчера.
Рис. 8 Структура Genesis 32
В состав Genesis 32 входят:
Graf WorX 32(разработка АРМ)
Trend WorX 32(работа с тендами)
Alarm WorX 32(обработка тревог)
Script WorX 32(разработка собственных алгоритмов на VB)
Data WorX 32 (связь клиентских приложений с ОРС серверами устройств)
OPC Iconios
OPC третьими фирмами
Data WorX 32 - сервер, выполняющий функцию организации единого централизованного списка контролируемых технологических параметров, с возможностью создания глобальных переменных, доступных всем клиентским приложениям, а также обладающих механизмом резервирования серверов ОРС.
Основные функциональные возможности
централизация параметров контролируемого процесса, обслуживаемых множество серверов единым списком
оптимизация запросов множества клиентов ОРС к одним и тем же параметрам разных сервров ОРС
организация списка глобальных переменных, с возможностью непосредственного обмена данными между клиентскими приложениями
возможность выполнения арифметических, логических и других операций над глобальными переменными
резервирование серверов ОРС на узлах сетей с автоматическим перенаправлением запросов клиентских приложений в случае перехода из строя основных устройств или серверов ОРС.
Функциональные возможности SCADA систем Оператор, работающий со SCADA системой:
планирует действия
обучает, программирует систему на необходимфе действия
отслеживает результаты автоматической или полуавтоматической работы системы
вмешивается в процесс управления в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости регулировки параметров процесса
в процессе работы обучается, получает опыт
Особенности SCADA как процесса управления
SCADA применяются в системах при наличии человека
SCADA в системах, где любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления илидаже к катастрофическим последствиям
оператор несет общую ответственность за управление системой, которая при нормальных условиях только изредка требует настройки параметров
активное участие оператора в процессе управления происходит не часто и в непредсказуемые моменты времени. Обычно в критических ситуациях
действия оператора в критической ситуации могут быть ограничены во времени
Все эти особенности характеризуют SCADA как процесс управления.
SCADA системе присущи следующие особенности программной реализации:
автоматизированная разработка , дающая возможность создания ПО АСУТП без использования языков программирования
наличие стандартных средств обмена данными с технологическим оборудованием
наличие средств выявления аварий и выдача сигналов о них
наличие средств архивирования и хранение технологической информации(на основе распространения баз данных)
наличие средств визуализации состояний ТП и ввода команд оператора
возможность организации связи с другими системами управления и системами управления предприятием
Основные этапы проектирования систем автоматизации на основе SCADA
разработка архитектуры систем автоматизации в целом. Здесьопределенное функциональное назначение в каждом узле автоматизации
решение вопросов о возможной поддержке распределенной архитектуры, необходимые сведения резервных узлов и т.д.
создание АРМ для каждого узла и программирование алгоритмов управления
установка связи между внутренними переменными АРМ и технологическими параметрами
отладка созданной СУ в режиме эмуляции и в рабочем режиме
Технические, стоимостные и эксплутационные характеристики SCADA
Программно-аппаратная платформа - оборудование(ЭВМ) и операционная система, которые необходимы для работы SCADA системы .Анализ программно-аппаратной программы для SCADA системы позволяет оценить стоимость, принципиальную возможность использования той или иной SCADA. При этом следует иметь в виду, что вслучае многоплатформенной SCADA возможен перенос разработанных АРМ с платформы на платформу. Внастоящее время подавляющее большинство SCADA ориентированы на работу на РС платформах под управлением Windows 2000, XP.
Способы связи с УВВ Существует 3 основных способа организации взаимодействия с контроллером
В общем случае для SCADA системы не важно как именно организовано аппаратное взаимодействие с контроллером, важно наличие соответствующего ОРС сервера.
Способ работы в сети Для организации распределенной архитектуры SCADA и взаимодействия ее с другими системами стандартом Defactom (фактически ) стало использование esernet и протоколов TCP/IP. Для взаимодействия с контроллером на промышленной сети используют стандартные промышленные интерфейсы : PROFIBUS, MODBUS...
Встроенные командные языки Больщинство SCADA имеют встроенные языки высоког уровня типа Visual Basic, позволяющие программировать алгоритмы управления и при необходимости расширять функциональные возможности интерфейса пользователя.
Поддерживаемые базы данных Во всех SCADA имеются средства для работы с базами данных(обычные или промышленные). При этом все SCADA для работы с базами данных используют язык запросов SQL.
Графические возможности Графические возможности SCADA предназначены для отображения состояния объекта управления, органов управления и выдачи различных сообщений. В большинстве SCADA используется векторная графика и с каждым элементом изображения может быть связан набор определенных действий.
Возможность интерфейса пользователя Поддержка Windows подобного интерфейса пользоваителя очень важна, т.к. она облегчает обучение и работу технического персонала.
Стоимостные характеристики
Стоимость программно-аппаратной платформы В стоимость программно-аппаратной платформы входит стоимость используемых ЭВМ и операционных систем, при этом стоимость программно-аппаратной платформы зависит от архитектурного уровня серверов и от количества рабочих мест.
Стоимость SCADA системы
При оценке стоимости приобретаемой SCADA следует учитывать объем решаемых задач автоматизации и лицензионную политику производителя систем. Стоимость SCADA может зависеть от максимального числа используемых тегов, от максимального числа АРМов и от дополнительных приложений.
Стоимость освоения систем В силу особенности SCADA и ее ориентрованности на слабоподготовленного пользователя, стоимоть освоения системы техническим персоналом низкая.
Стоимость сопровождения зависит от множества факторов
стоимость риска покупки
стоимость коммуникации с фирмой поставщика
время реакции поставщика на запрос покупателя
наличие опыта и квалификации у персонала технической поддержки
степень открытости, адаптируемости и модернизируемости SCADA
В наше время наиболее низкой стоимостью ввладения обладают SCADA, работающие на платформе PC под управлением Windows.
Эксплуатационные характеристики
Определяют скорость освоения SCADA программистом разработчиком, скорость разработки проекта, стоимость его реализации. Эксплутационные характеристики - СУБЪЕКТИВНЫ.
Удобство использования
Наличие и качество технической поддержки. Качество зависит от наличия регионального дистрибьютера, от возможности коммуникации с фирмой производителя на другом языке и т.д.
Поддержка в SCADA языка пользователя. Для разработчика поддержка языка пользователя принципиально не важна, достаточно наличие англоязычного интерфейса и документации. Для конечных пользователей поддержка их родного языка желательна, как с точки зрения работы с интерфейсом, так и реакции на различные сообщения системы.
Механизм OLE for Process Control(OPC).
На базе механизма OLE был разработан новый стандарт обмена, ориентированный на задачи промышленной автоматизации - OPC(OLE for Process Control). Стандарт OPC обадает следующими преимуществами:
позволяет объединить на уровне объектов различные системы управления и контроля, функционирующие в распределенной гетерогенной среде;
устраняет необходимость использования нестандартных протоколов обмена данными между устройством и SCADA-системой.
Основная цель стандарта OPC заключается в создании универсального механизма доступа к любому аппаратному устройству из прикладной программы. OPC позволяет производителям оборудования поставлять программные компоненты, которые стандартным способом обеспечат связь ПО с технологическим контроллером.
Таким образом, с точки зрения SCADA-систем, появлениеOPC-серверов означает разработку программных стандартов обмена с технологическими устройствами. ОРС - интерфейс допускает различные варианты обмена:
получение данных с физических устройств;
обмен между частями распределенного приложения;
обмен между различными приложениями.
В первую очередь в качестве серверов ОРС выступают драйверы, написанные в соответствии со стандартом ОРС и осуществляющие обмен данными с компонентами систем автоматизированного управления через соответствующее коммуникационное оборудование. Кроме того, любая программа, снабженная стандартным ОРС-ннтерфейсом, может выступать в качестве ОРС-сервера.
Применительно к SCADA-системам OPC-серверы, расположенные на всех компьютерах системы управления, стандартным образом могут поставлять данные в программу визуализации, базу данных и т.д.
При обмене данными с ОРС - сервером возможно два режима:
Периодический режим, когда с заданной частотой данные запрашиваются ОРС - клиентом.
Режим обмена по изменению значения, когда обмен происходит при изменении значения переменной на заранее заданную величину.
Предпочтительным является второй тип обмена. При обмене через ОРС-интерфейс данные передаются пакетами данных, содержащие следующие поля:
Value (значение).
Quality (качество).
Timestamp (отметка времени).
Такой пакет в терминологии ОРС называется «элемент данных». Поле Quality позволяет определить, не произошла ли ошибка в момент измерения величины или во время передачи. Во всех современных SCADA-системах при обмене данными осуществляется проверка поля Quality. Причем в различных системах реакция на «неудовлетворительное» значение качества получаемых данных может быть реализована по-разному. Обрабатывать поле Quality может либо приложение пользователя, либо сама SCADA-система. Поле Quality может принимать различные значения: - UNCERTAIN (не определено), GOOD (удовлетворительно), BAD (неудовлетворительно). В счучае если поле Quality принимает значение BAD, в этом поле содержится дополнительный признак, позволяющий уточнить причину неполадки.
В ОРС все элементы данных объединяются в группы. Каждый элемент данных и группа имеют свое уникальное имя, и могут быть организованы в иерархическую структуру. Все элементы в каждой группе обновляются периодически, чере равные промежутки времени, причем обновление элементов происходит синхронно.
Рис. 9 OPC-взаимодействие.
Элементы данных часто называют тегами (TAG). Именно эти тэги и являются технологическими переменными в SCADA-системе. ОРС-сервер должен осуществлять буферизацию данных, запрашиваемых различными клиентскими приложениями, и оптимизировать их передачу так, чтобы коммуникация с физическими устройствами была наиболее эффективной. Буферизация данных необходима для того, чтобы исключить их потерю, и чтобы была возможность их многократного считывания. Важным преимуществом ОРС является возможность превращения системы управления в своего рода «конструктор», разнотипные элементы которого могут быть подключены к системе стандартным образом - через ОРС-интерфейс. Использование технологии ОРС в качестве процедуры обеспечения целостного доступа к производственным данным дает следующие преимущества:
производители устройств имеют возможность создания универсальных «переходников» от своего устройства к стандартизованному интерфейсу;
производители программного обеспечения SCADA могут ориентировать свои программные продукты на работу со стандартным интерфейсом, не зависящим от типа устройства;
потребители (заказчики) комплектуют свои системы такими устройствами и программным обеспечением, которое наиболее подходит для решения поставленных задач.
Технологические устройства представляются управляющему ПО в виде серверов OPC и в общем случае являются "черными ящиками". Конечно не бывает средства, решающего все проблемы . OPC может использоваться только на тех операционных системах, где поддерживается механизм Microsoft DCOM/ В настояще время к таким ОС относятся Windows NT/95/98? а также некоторые системы семейства UNIX.
OPC не обеспечивает работу в жестком реальном времени, поскольку в DCOM отсутствуют понятия качества обслуживания, крайних сроков и т.д. В то же время контроль за «устареванием» данных имеется - каждое передаваемое значение сопровождается меткой времени. Несмотря на то, что требования жесткого реального времени, строго говоря, не выполняются, реальное время передачи данных порядка 50 миллисекунд достигается без всяких специальных мер.
Не следует думать, что любое устройство можно просто так «через ОРС» подключить к любой SCADA-системе - для этого надо иметь ОРС-сервер для данного устройства. Сервер можно получить либо вместе с устройством, либо купить, либо написать самостоятельно. Для написания ОРС-серверов в составе некоторых SCADA поставляется специальное ПО.
ПРИМЕР ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ НАПИСАНИЯ OPC-СЕРВЕРОВ В GENESIS32 ОРС ToolWorX — имеет в своем составе мастер для автоматической генерации кода клиентов и серверов ОРС в среде MS Visual C++ на базе примера полнофункционального ОРС-сервера для протокола ModBus, а также тестовое клиентское приложение. ОРС ToolWorX является инструментальным средством быстрой разработки серверов и клиентов ОРС, которое позволяет производителям серийного оборудования для промышленной автоматизации в кратчайшие сроки перейти к использованию наиболее передовой технологии обмена данными и обслуживания устройств в среде Windows. ОРС ToolWorX содержит комплекты разработки серверов и клиентов ОРС. Каждый комплект имеет в своем составе примеры исходных текстов двух серверов ОРС, документацию, тестовое клиентское приложение, а также средство генерации интерфейсов диспетчеризации OLE Automation с тестовым примером на Visual Basic.
Основные функциональные возможности ОРС ToolWorX:
Модель свободных потоков ;
DLL automation OLE;
Мастер для генерации приложений Visual C++ ;
Навигатор тегов ОРС ;
Одновременная поддержка спецификации OPC Data Access и OPC Alarms and Events;
Возможность создания внутризадасных серверов для Windows CE.
OPC ToolWorX поставляется отдельно и стоит около 5000$;
Задачу разработки собственных OPC-серверов облегчает то, что спецификация OPC свободно доступны в Internet (т.е. ОРС является открытым стандартом. В принципе, спецификации на стандарт ОРС достаточно для создания своего ОРС-сервера на любом языке высокого уровня. Однако это довольно сложная задача. Для упрощения разработки можно использовать универсальный ОРС-сервер фирмы Fastwel. Он предусматривает подключение DLL, написанной пользователем, в которой расположены все функции взаимодействия с устройством. Вместе с этим «шаблонным» ОРС-сервером поставляется исходный текст тестовой DLL.
