Разработка SCADA систем: программирование АСУТП

Система диспетчерского контроля и сбора данных (Supervisory control and data acquisition – далее «SCADA») объединяет аппаратные и программные элементы управления для автоматизации производственных процессов. Системы SCADA собирают, обрабатывают и классифицируют важные параметры о производительности системы. Эти данные собираются и отображаются на панели управления (мониторе и т.п.), что позволяет оператору принимать точные и быстрые решения на основе данных полученных в реальном времени.

Основываясь на своих широких возможностях, системы SCADA могут быть разработаны и запрограммированы для объекта практически любой сложности, бюджета или отрасли. Это могут быть как крупные производственные и перерабатывающие заводы, так и небольшие системы, такие как светофоры или устройства для наблюдения за домом. В тех случаях, когда требуется контроль и управление данными, SCADA может помочь упростить процесс.

Почему SCADA

При правильной реализации внедрение SCADA-системы приводит к масштабным улучшениям и повышению эффективности процессов, требующих мониторинга. В обрабатывающей промышленности такие системы могут определять достигаются ли поставленные цели по объему выпуска продукта или цели по обеспечению его качества.

Если на одном участке производственного процесса случается отклонение от нормы, то оператор получает информацию о характере и местонахождении неполадки, что позволяет быстро принять необходимые меры для устранения неисправности. Некоторые системы могут выполнять основные задачи без вмешательства человека, при достижении определенных пороговых значений, что позволяет выполнять, например, аварийные отключения или другие аналогичные действия.

Важно отметить, что система SCADA не заменяет промышленные системы управления , и она не может управлять заводом самостоятельно.

SCADA — это система для сбора и обработки данных от установленных промышленных датчиков и компонентов, позволяющая оператору принимать более обоснованные и оперативные решения.

Разработчик обязан рассматривать создание каждой SCADA-системы как часть более крупной промышленной системы управления для облегчения автоматизации на всех уровнях.

Компоненты системы SCADA

Системы SCADA базируются на пяти компонентах, которые в сочетании обеспечивают ее широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти элементы работают совместно с датчиками для более глубокой автоматизации производственных процессов.

1. Устройства связи с объектом (УСО) или Удаленные терминальные устройства (Remote Terminal Units — RTU). Удаленные терминальные (или телеметрические) устройства являются одним из основных способов взаимодействия программного обеспечения SCADA с физическими компонентами системы. RTU существуют главным образом для контроля датчиков и исполнительных механизмов для передачи значений их выходных сигналов в центральный блок управления (на сервер).
2. Программируемые логические контроллеры (ПЛК или Programmable Logic Controllers — PLC). Функции ПЛК довольно сильно совпадают с функциями RTU. Оба микропроцессора способны считывать, обрабатывать и передавать результаты измерений. Однако ПЛК, как правило, предпочтительнее в локальных системах, поскольку они экономичны и способны работать на высоких скоростях передачи данных на короткие расстояния. RTU, напротив, могут быть предпочтительнее, когда система географически более распределена. Нет необходимости понимать тонкие различия между RTU и ПЛК при первом рассмотрении системы SCADA. Во многих случаях они взаимозаменяемы.
3. Компьютерные серверы. Серверы являются центром управления системой SCADA. Они собирают информацию с RTU и ПЛК, а также передают команды в обратном направлении на объект, что позволяет удаленно управлять компонентами системы. Каждое автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора может взаимодействовать с несколькими серверами.
4. Человеко-машинный интерфейс (Human Machine Interface — HMI). Сгенерированный диспетчерским компьютером HMI представляет собой графический интерфейс, или проще говоря, графическую панель (монитор компьютера или ноутбука и т.п.), который отображает данные в удобной для человека форме. Контролируя и взаимодействуя с HMI, сотрудник может просматривать тренды или схемы, выполнять диагностику и изменять значения уставок в соответствии с новой информацией.
5. Инфраструктура связи. Инфраструктура связи формирует структуру, на которой взаимодействуют все другие компоненты системы.

Архитектура системы

Как можно понять из вышеописанного, невозможно полностью понять программирование SCADA, рассматривая отдельные ее части. Архитектура системы расширяет представление о SCADA, описывая способ взаимодействия компонентов друг с другом и образуя интегрированную сеть управления.

Данные, обрабатываемые программным обеспечением SCADA, поступают автоматически с датчиков, или реже заносятся вручную. Эти данные могут включать в себя измерения температуры, давления, напряжения или другие важные параметры. После каждой записи RTU или PLC передает новую информацию на сервер. Он в свою очередь обрабатывает и отображает данные измененного процесса графически на HMI панели, чтобы оператор мог легко воспринять информацию и предпринять оперативные действия. В некоторых случаях сам RTU или PLC могут быть запрограммированы на выполнение простых действий управления на основе результата измерения. На практике архитектура SCADA может быть довольно сложной, охватывающей сотни или тысячи различных компонентов и различные протоколы связи.

SCADA Программирование

Распространенным заблуждением является то, что SCADA — это то же самое, что распределенная система управления (РСУ или Distributed Control System — DCS). Хотя есть некоторые совпадения, учитывая, что DCS также контролирует производственные процессы, тем не менее, общая настройка систем отличается.

• В системе DCS упор делается на компьютерное управление процессами. Оператор может вмешиваться в систему, но человеческий анализ и вмешательство не являются основной целью системы DCS.
• Системы SCADA, напротив, нацелены в первую очередь на сбор данных таким образом, чтобы оператор мог принимать повседневные или экстренные решения о функционировании системы и корректировать необходимые параметры.

Эта разница также проявляется в разных методах программирования. DCS обычно в большей степени опирается на простые логические элементы для формирования контуров управления. Программирование SCADA сложнее, но в то же время более гибкое. Логические элементы все еще могут играть роль на уровне RTU и PLC, но для программирования SCADA требуется использование специализированного программного обеспечения для управления и отображения входных данных.

Когда используется специальное программное обеспечение, оно обычно разрабатывается на C (C++, WinCC) или аналогичном языке программирования. Как только эта программная разработка передается Заказчику, ему остается только ввести уставки для RTU, PLC и HMI с использованием графических интерфейсов. При этом оператор может изменять и просматривать уставки или настраивать схемы и диаграммы без необходимости написания программного кода.

SCADA-безопасность

Еще один элемент SCADA-системы, к которому следует относиться серьезно — это кибербезопасность. Первоначально системы SCADA разрабатывались с учетом дополнительных взаимодействий с человеком для проверки показаний датчиков и управления контрольными точками. Теперь многие из этих задач были автоматизированы с использованием интернет-протоколов, что резко повышает вероятность отказов за счет повышенной уязвимости к кибератакам. Эти атаки могут иметь форму взлома или вредоносного ПО, предназначенного для нарушения работоспособности технологии.

Для защиты от этих рисков программисты обязаны следовать рекомендациям SCADA по безопасности системы на каждом этапе процесса разработки, а также рекомендуется отдать им на аутсортинг услугу по установке ПО непосредственно на объекте, предотвращая любую возможность вмешательства третьих лиц и предоставляя Заказчику возможность контролировать процесс установки и отладки.

Где используется SCADA

Ряд различных отраслей полагаются на программы SCADA для оптимизации своей повседневной деятельности. К ним, например, относятся:

• Производство: контроль качества выпускаемой продукции, управление складскими запасами
• Управление движением: регулирование светофора, распределение и отслеживание мощности общественного транспорта
• Очистка и транспортировка воды и сточных вод: мониторинг и регулирование расхода, автоматизированные циклы очистки, автоматизация электропривода
• Производство и распределение энергии: мониторинг и регулирование напряжения, управление выключателями, управление электросетями