В автоматизированных системах управления технологическими процессами, часто называемых системами промышленной автоматизации, можно выделить свои иерархические уровни.
На верхнем (диспетчерском) уровне АСУТП осуществляются сбор и обработка данных о состоянии оборудования и протекании производственных процессов для принятия решений по загрузке станков и выполнению технологических маршрутов. Эти функции возложены на систему диспетчерского управления и сбора данных, называемую SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Кроме диспетчерских функций, система SCADA выполняет роль инструментальной системы разработки программного обеспечения (ПО) для промышленных систем компьютерной автоматизации.
На уровне управления технологическим оборудованием (на уровне контроллеров) в АСУТП выполняются запуск, тестирование, выключение станков, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих воздействий для рабочих органов программно управляемого оборудования. Для этого в составе технологического оборудования используются системы управления на базе программируемых контроллеров — компьютеров, встроенных в технологическое оборудование. Поэтому системы промышленной автоматизации часто называют встроенными системами (Embedded Computing System), а используемые при этом компьютеры - промышленными компьютерами.
Техническое обеспечение АСУТП представлено персональными ЭВМ и микрокомпьютерами (программируемыми контроллерами), распределенными по контролируемым участкам производства и связанными друг с другом с помощью шин.
На верхнем уровне иерархии шин осуществляется связь компьютеров системы SCADA и серверов баз данных, здесь используются технологии локальных вычислительных сетей, как правило, сети Ethernet (рис. 1) Для связи компьютеров с высокоскоростными периферийными устройствами служат шины Infiniband, Fiber Channel, USB, FireWire 1394, с низкоскоростными устройствами связь осуществляют через интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485.
Рис. 1. Архитектура АСУТП
На среднем уровне (уровне контроллеров) АСУТП для связи компьютеров с системами ЧПУ обычно применяют сети Fieldbus — так называемые полевые шины. Особенностями Fieldbus являются режим реального времени, детерминированность поведения, повышенная надежность при работе в промышленной среде. В полевых шинах имеют место протоколы трех уровней: физического уровня, канального уровня, прикладного уровня. Примерами полевых шин являются последовательные шины Profibus, Interbus/S, CANbus. Всего на рынке имеется несколько десятков типов таких шин.
На нижнем уровне АСУТП соединение модулей контроллеров, датчиков, измерительного и другого оборудования в пределах одного функционального узла (например, соединение слотов в крейте) выполняется посредством магистрально-модульных параллельных шин, таких как VMEbus, CompactPCI, или последовательных шин типа Infiniband или CompactPCI Express.
Программное обеспечение АСУТП представлено операционными системами, программами SCADA, драйверами и прикладными программами контроллеров.
Функции систем SCADA:
· сбор первичной информации от датчиков;
· хранение, обработка и визуализация данных;
· регистрация аварийных сигналов, выдача сообщений о неисправностях и аварийных ситуациях;
· связь с корпоративной информационной сетью;
· формирование отчетов;
· автоматизированная разработка прикладного программного обеспечения (ПО).
SCADA-системы состоят из терминальных компонентов, диспетчерских пунктов и каналов связи. Различаются SCADA-системы типами поддерживаемых контроллеров и способами связи с ними, операционной средой, типами алармов, числом трендов (тенденций в состоянии контролируемого процесса) и способом их вывода, особенностями человеко-машинного интерфейса (HMI) и др.
Алармы фиксируются при выходе значений контролируемых параметров или скоростей их изменения за границы допустимых диапазонов.
Число одновременно выводимых трендов может быть различным, их визуализация возможна в реальном времени или с предварительной буферизацией. Предусматриваются возможности интерактивной работы операторов.
Одной из широко известных SCADA-систем является система Citect австралийской компании Ci Technology, работающая в среде Windows. Это масштабируемая клиент-серверная система со встроенным резервированием для повышения надежности. Состоит из пяти подсистем: ввода-вывода, визуализации, оповещения (алармов), трендов, отчетов. Подсистемы могут быть распределены по разным узлам сети. Используется оригинальный язык программирования Cicode.
Отечественная SCADA-система Trace Mode для крупных АСУТП в различных отраслях промышленности и в городских службах создана компанией AdAstra. Система состоит из инструментальной части и исполнительных модулей. Предусмотрены управление технологическими процессами, разработка АРМ руководителей цехов и участков, диспетчеров и операторов. Возможно использование операционных систем QNX, OS9, Windоws.
Другой пример популярной SCADA-системы — BridgeVIEW (другое название LabVIEW SCADA) компании National Instruments. Ядро системы управляет базой данных, взаимодействует с серверами устройств, реагирует на алармы. Подсистема HMI предназначена для интерфейса с пользователями и для исполнения задаваемых ими программ. При настройке системы на конкретное приложение пользователь конфигурирует входные и выходные каналы, указывая для них такие величины, как частота опроса, диапазоны значений сигнала и т.п., и создает программу работы приложения. Программирование ведется на графическом языке блок-диаграмм.
С развитием сетевой инфраструктуры появляется возможность более тесной интеграции АСУП и АСУТП, ранее развивавшихся автономно. Использование информации непосредственно от технологических процессов позволяет более рационально планировать производство и управлять предприятием. Интеграция выражается в использовании на этих уровнях общих программных средств, баз данных, связей с Internet на основе развития РС совместимых контроллеров и сетей Industrial Ethernet, и т.п.
К операционным системам реального времени предъявляется ряд специфических требований, основными из них являются требования высокой скорости реакции на запросы внешних устройств, устойчивости системы (то есть способности работы без зависаний) и экономного использования имеющихся в наличии системных ресурсов.
В SCADA-системах в основном применяют операционные системы UNIX или Windows XP.
