Лекция: Лекция 10. SCADA система

SCADA-СИСТЕМА

Характеристика SCADA-системы

В современной АСУ ТП при управлении от ЭВМ верхнего уровня взаимодей­ствие между оператором и технологиче­ским процессом осуществляется с помо­щью программного обеспечения, полу­чившего общее название SCADА. Необходимо различать программное обеспечение SCADA-системы, реализующее функции конкретной АСУ ТП, и набор инструментальных про­граммных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения. Обе группы программного обеспечения тесно связа­ны (например run-time компоненты ин­струментальной системы непосредст­венно используются в объектовом ПО).

SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспет­черского управления. В названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:

• сбор данных о контролируемом тех­нологическом процессе;

• управление технологическим про­цессом, реализуемое операторами на основе собранных данных и правил (критериев).

SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем про­мышленной автоматизации находятся на верхних уровнях АСУ ТП и обеспечивают выпол­нение следующих основных функций.

1. Прием информации о контролируе­мых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и дат­чиков.

2. Сохранение принятой информации в архивах.

3. Вторичная обработка принятой ин­формации.

4. Графическое представление хода тех­нологического процесса, а также при­нятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.

5. Прием команд оператора и передача их контроллерам нижних уров­ней и непосредственно исполнительным механизмам.

6. Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями оперативного персонала.

7. Оповещение оперативного персонала об аварийных событиях, связан­ных с контролируемым технологиче­ским процессом и функционировани­ем программно-аппаратных средств АСУТП с регистрацией действий пер­сонала в аварийных ситуациях.

8. Формирование сводок и других от­четных документов на основе архив­ной информации.

9. Обмен информацией с автоматизи­рованной системой управления пред­приятием.

10.Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Таким образом, SCADA-система собирает информацию о технологическом про­цессе, обеспечивает интерфейс с опера­тором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управле­ние процессом в том объеме, в котором это необходимо.

Инструментальные SCADA-системы обеспечивают возмож­ность программирования не только контроля процесса, но и непосредственного автоматичес­кого управления технологическим про­цессом. Однако совмещения функций автоматического управления и операторского интерфейса на одном компьютере может иметь и ряд нега­тивных последствий.

Используемая операционная система компьютера (например, Windows) может не обеспечивать необ­ходимую для конкретного технологиче­ского процесса скорость и/или детерми­нированность реакции SCADA-системы на события процесса. В случае зависания операционной системы и перезапуска компьютера оператором могут происходить аварийные потери управления и нарушения процесса вплоть до аварий.

Для выполнения перечисленных выше функций SCADA приклад­ная программа может разрабатываться практи­чески на любом языке высокого уровня об­щего назначения. Причем по быстро­действию, ресурсоемкости и другим по­казателям эффективности программ­ного обеспечения такая программа мо­жет даже опережать аналогичное ПО, созданное с помощью специализиро­ванных инструментальных SCADA-систем. Однако, использование инструментальной SCADA-системы для этих целей имеет то неоспоримое преимущество, что может осуществляться и поддерживаться в ходе эксплуатации специалистом по автоматизации технологических процессов, который чаще всего не владеет специальными знаниями по программированию ЭВМ.

В большинстве случа­ев инструментальные SCADA-системы поз­воляют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего на­значения. В тонкостях ав­томатизируемого технологического процесса разбирается только технолог или другой представитель технологиче­ского персонала, как правило, не обла­дающий навыками программирования.

Конфигурирование SCADA-системы

При построении SCADA-системы для задания алгоритмов управления необходимо решить следующие задачи:

• описание всех информационных сигналов;

• описание алгоритмов управления, контроля и обработки сигналов;

• описание всех управляющих сигналов.

В общем виде схему функций системы можно представить как последовательность блоков на рис. 28. Входом системы будет совокупность сигналов состояния объекта управления (информационные и измерительные сигналы от датчиков на объекте управления). На основании этой информации, а также информации о заданном состоянии объекта управления, по определённым для системы управления алгоритмам вычисляются требуемые сигналы управления. Эти сигналы подаются на исполнительные механизмы объекта управления, что приводит к целенаправленному изменению его состояния.

П ри описании сигналов для каждого сигнала нужно указать место нахождения в системе информации об этом сигнале, привязав сигнал к конкретному источнику информации (датчику, измерительному преобразователю) или приёмнику информации (исполнительному механизму). Эта задача решается в процессе конфигурации системы управления, в результате чего каждому сигналу присваивается адрес, по которому к нему можно обратиться. Значение сигнала рассматривается как некоторая переменная, которую можно читать или устанавливать.

Схема обращения к определённому источнику или приёмнику информации в SCADA-системе показана на рис. 29. Для возможности обращения к некоторой переменной процесса (чтение её значения или выдача этого значения на объект) ей присваивается адрес. Этот адрес учитывает адрес контроллера в системе управления и адрес самой переменной в структуре контроллера, что позволяет обращаться к конкретному входу или выходу контроллера.

Программа SCADA-системы, используя адрес переменной, с помощью драйвера связи устанавливает связь с соответствующим контроллером и читает или устанавливает нужную переменную. Для связи с контроллером может использоваться локальная вычислительная сеть ЛВС.

Инструментальная SCADA-система GENIE

Рассмотрим в качестве примера инструментальную SCADA-систему GENIE фирмы Advantech. Состав этой простой инструментальной SCADA-системы показан на рис. 30. GENIE состоит из программы конфигурации системы управления (Установка устройств) и программы задания алгоритма управления (Построитель стратегий).

П ри конфигурировании системы определяются имеющиеся в её составе устройства ввода-вывода сигналов. Устройство ввода-вывода является аппаратным средством, предназначенным для ввода и/или вывода данных в программу управления. Как правило, устройства ввода-вывода имеют подсистемы аналого-цифрового преобразования, цифро-аналогового преобразования, дискретного ввода и дискретного вывода в различных сочетаниях в зависимости от исполнения устройства.

Устройства ввода-вывода могут быть выполнены в виде плат, подключаемых к магистрали (шине) расширения, расположенной внутри компьютера, либо в виде отдельных модулей, подключаемых к компьютеру по какому-либо последовательному каналу связи. Перед началом эксплуатации устройств ввода-вывода в составе системы следует произвести их аппаратную настройку при помощи входящих в состав устройств переключателей либо специализированного программного обеспечения, поставляемого в комплекте с устройствами.

Перед началом работы устройств ввода-вывода под управлением пакета GENIE следует выполнить настройку параметров добавленного устройства при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation. Установка устройства состоит из следующих операций:

1. Включение драйвера устройства в перечень загружаемых драйверов операционной системы управляющего компьютера. Обычно эти драйверы автоматически устанавливаются при инсталляции GENIE.

2. После установки драйвера устройства, добавление устройств (экземпляров устройств одного типа), обслуживаемых данным драйвером, при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation.

Н
а рис. 31 показан пример установки устройства ввода-вывода в SCADA-системе GENIE. Для конфигурации системы запускается программа установки, позволяющая автоматически обнаружить в системе все устройства, совместимые с SCADA-системой GENIE. Из списка устройств выбираются используемые при работе устройства и для них уточняются адреса.

Состав устройств ввода-вывода можно изменять (при их фактическом присутствии в системе управления). На рис. 31 указано имеющееся в системе устройство ввода Advantech DEMO I/O, которому присвоен адрес 1H (шестнадцатеричный адрес). Этот адрес может быть изменён при настройке устройства. При наличии в системе других совместимых устройств, их можно добавить к имеющемуся устройству и назначить им соответствующие адреса.

Настройка (конфигурирование) устройства состоит в установке значений параметров конфигурации экземпляра устройства в соответствии с результатами аппаратной настройки физического устройства (платы, модуля). Установка значений параметров экземпляра устройства выполняется в соответствующей диалоговой панели, вызываемой путем выбора названия экземпляра устройства в списке устройств диалоговой панели Установка и настройка устройств ввода-вывода программы Advantech Device Installation и нажатием кнопки Настройка...

Экземпляром устройства является устройство ввода-вывода, добавленное в список установленных устройств при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation, и имеющее уникальные значения параметров конфигурации. Например, в список устройств может быть добавлено три модуля сбора данных и управления PCL-818, каждый из которых имеет собственный базовый адрес и другие параметры. Запись о каждом из указанных модулей в списке устройств представляет экземпляр устройства. Все экземпляры однотипных устройства обслуживаются одним загружаемым драйвером (в данном примере PCL818.DLL).

В последующее при построении алгоритма управления к установленному устройству можно обращаться, для чтения его сигнала (рис. 32). Для обращения используется функциональный элемент A1 – блок аналогового ввода-вывода. Данный функциональный блок предназначен для приема информации от устройств, имеющих подсистему ввода аналоговых сигналов, и передачи указанных сигналов другим функциональным блокам и элементам отображения.

С блоком связывается конкретное устройство ввода путем выбора такого устройства из состава установленных в системе устройств. Для этого вызывается панель свойств устройства. Щелчок левой клавишей мыши на изображении стрелки, расположенной справа от поля Устройство, приведет к появлению списка всех устройств с подсистемой аналогового ввода, драйверы и экземпляры которых установлены в системе. После выбора устройства, его название будет отображаться в поле Устройство.

Для устройства ввода-вывода определяются дополнительные параметры ввода-вывода сигналов. При этом осуществляется связь между входным (или выходным) сигналом и алгоритмом (стратегией) управления.

Задание алгоритма управления

Наиболее распространенным способом задание алгоритма управления SCADA-системе является графическое представление алгоритма в виде блок-схемы или мнемосхемы. Наиболее простые способы представления алгоритма управления используются в инструментальных SCADA-системах GENIE и КРУГ-2000.

В GENIE алгоритм управления описывается функциональной блок-схемой, с которой связываются элементы графического интерфейса пользователя. В этой системе алгоритм управления рассматривается как стратегия управления. Для разработки стратегии управления в GENIE служит программный модуль Построитель стратегий.

Стратегия - это совокупность одной или несколь­ких задач вместе с одной или большим количеством экранных форм, а также одним основным сценарием. Задача, экранная форма и основной сценарий являются тремя основными элементами, используемыми при про­ектировании стратегий. Простейшая стратегия имеет одну задачу с одной эк­ранной формой и не имеет основного сценария.

Построитель стратегий GENIE предоставляет в рас­поряжение пользователя четыре различных редактора:

• Редактор задач,

• Редактор форм отображения,

• Редактор отчетов,

• Редактор сценариев.

Указанные редакторы используются для создания, отладки и модификации задач, экранных форм, отчетов и сце­нарных процедур соответственно. Поскольку в рамках одной страте­гии может присутствовать не­сколько задач, то имеется воз­можность создания множества окон в Редакторе задач. По той же самой причине, можно со­здавать множество окон в Редак­торе форм отображения для редактирования множества эк­ранных форм. В Редакторе сце­нариев может быть открыто только одно окно.

Редактор задач пред­назначен для реализа­ции прикладных алго­ритмов создаваемой системы. Алгоритм задаётся в виде функциональной блок схемы. GENIE имеет большое количество встроенных стандарт­ных функциональных блоков для реализации различных алгорит­мов сбора данных и управления.

Разработка системы сводится к раз­мещению пользователем функциональ­ных блоков в окне задачи и установле­нию между ними связей, определяемых алгоритмом обработки данных. Пользователем созда­ется блок-схема стратегии путем выбора объ­ектов (пиктограммы функ­циональных блоков) из набора инструментов Ре­дактора задач и соединения их линиями связи для передачи данных от одного блока к другому.

Редактор форм отобра­жения пред­назначен для создания дина­мических эк­ранных форм отображения (элементов графического интерфейса оператора), связанных с исполняемой стратегией сбора данных и управле­ния. Ре­дактор форм отображения обеспечи­вает возможность разработки удобных для восприятия экранных форм путем использования входящих в пакет стандартных элемен­тов отображения и управления. Кроме того, графический интерфейс опера­тора может быть усовершенствован с помощью специальных инструментов рисования и элементов отображения, определяемых пользователем.

Редактор отчетов предназначен для разработки и генерации отчетов о работе АСУ ТП. Ре­дактор отчетов пакета GENIE предо­ставляет разработчику на этапе проек­тирования, а пользователю - в процес­се эксплуатации системы возможность определять содержание отчета, форми­руемое на основе собираемых данных и действий оператора, с последующей автоматической печатью в определен­ные моменты времени. Средства, вхо­дящие в Редактор отчетов, могут быть использованы для выбора и печати от­четов вручную в требуемый момент времени.