Анализ архитектуры и структуры автоматизированной системы управления

Каждая  из  функций  во  встроенном  языке  выполняется  в  синхронном или  асинхронном режиме. В синхронном режиме  выполнение следующей функции  не начинается до тех пор, пока не завершилось  исполнение предыдущей. При запуске  функции в асинхронном режиме управление переходит к следующей  функции, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей.

 Средства  визуализации – одно  из  базовых   свойств SCADA-систем.  В  каждой  из  них  существует  графический   объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций.  Используемая  векторная  графика  дает  возможность  осуществлять  широкий  круг  операций  над  выбранным  объектом.

SCADA-системы   включают  библиотеки  стандартных   графических символов, библиотеки  сложных графических объектов. Графический  редактор  позволяет  создавать   статическую  часть  технологических  мнемосхем, их фрагменты  и  элементы, не изменяющиеся в процессе  работы  системы,  и  далее   выполнять  динамизацию  мнемосхем,  т.е. отображать такие атрибуты, как текущие значения параметров, границы предупредительной сигнализации, состояния исполнительных механизмов и т.д. Динамически изменяемая информация на экране может быть представлена в удобном для пользователя виде: как текстовое сообщение, числовые строки параметров в цифровой форме, в виде барграфов или в виде изображения вторичного (показывающего,  регулирующего или регистрирующего)  прибора;  состояние оборудования – в виде текста или изменяющих свой цвет или внешний вид фрагментов; состояние технологического процесса – в виде строк подсказок или изменяющихся по форме или цвету частей технологического оборудования (Рис.1.8)

Главная тенденция  развития удаленных терминалов RTU – увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы RTU строятся на основе микропроцессорной техники,  работают  под управлением операционных систем реального времени, при необходимости, объединяются в сеть с интеллектуальными электронными  датчиками объектами управления и рабочими станциями верхнего уровня.

  Конкретная  реализация RTU зависит от  области применения. Это могут быть  специализированные  боровые компьютеры,  в том числе мультипроцессорные системы, обычные компьютеры (PC). Для индустриальных и транспортных систем имеется два направления в технологии RTU: индустриальные промышленные PC и программируемые логические контроллеры (PLC).

Индустриальные  компьютеры представляют собой программно совместимые  с обычными PC  аппаратные средства, адаптированные для жестких условий эксплуатации, например, рабочие станции фирмы Advantech (Тайвань). Адаптация к конкретным условиям эксплуатации  относится не  только  к конструктивному исполнению,  но  и к архитектуре и схемотехнике.

  Промышленные  логические контроллеры – специализированные  вычислительные  устройства,  предназначенные   для  управления  технологическими  процессами (объектами) в реальном  масштабе времени.  Промышленные  контроллеры  имеют  различное   конструктивное исполнение: встраиваемые  в системную плату PC, блочно-модульную конструкцию,  мезонинную  структуру.  Наиболее  распространена блочно-модульная конструкция, когда ПЛК имеет процессорный модуль, интерфейсную плату, модули ввода/вывода аналоговых и дискретных  сигналов.  Модули  ввода/вывода  принимают информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, контроллеров и других устройств и осуществляют управление процессом или объектом путем выдачи управляющих сигналов на приводы, клапаны, краны, переключатели, вентили и другие исполнительные устройства.

Контроллеры  часто  объединяются  в  сеть (интерфейс  RS-485, ETHERNET, различные типы индустриальных шин). 

  Программные  средства, разрабатываемые для PLC по стандарту IEC-61131-3, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять PLC через рабочую станцию,  находящуюся на верхнем уровне SCADA-системы – диспетчерском пункте управления (MTU).  Встроенные  в  инструментальные  системы,  разработки  прикладного  обеспечения  включают  языки  программирования  по  стандарту 1992 г. IEC-61131-3: графический  язык  последовательных функциональных схем SFC (Sequential Function Charts); графический язык функциональных блоковых диаграмм FBD (Function Block Diagrams); графический язык релейных диаграмм или релейной логики LD (Leader Diagrams); язык структуированного текста ST (Structured Text); язык инструкций IL (Instruction List). 

  Встроенные  технологические  языки  программирования  представляют  собой  инструмент  решения  следующих  задач  автоматизации:  программно-логическое  управление  технологическим  оборудованием;  реализация  алгоритмов  оптимального  управления;  визуализация  значения  в  виде  трендов (текущие,  средние  или  суммарные значения параметров по минутам, часам, сменам, суткам и т.д.); архивирование  событий;  создание  сценария  динамики  экранных  форм  и др. После выпуска стандарта IEC-61131-3, выдвинуты требования открытости системы управления в реальном масштабе времени, включающие:  возможность  разработки  драйверов  для  модулей  ввода/вывода непосредственно пользователем; наличие коммуникационных задач, обеспечивающих связь с другими подсистемами; возможность использования ядра системы для ряда программно-аппаратных платформ. На рынке появилось большое количество инструментальных  пакетов,  удовлетворяющих  данным  требованиеям,  например,  ISaGRAF (CJ-International, Франция), InControl (Wonderware, США), Paradym 3 (Intellution, США) и др. Данные инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения имеют дружелюбный HMI, средства загрузки разработанного приложения, исполняющую систему (Рис.1.9)

Наиболее  развитой архитектурой, программным  обеспечением и функциональными  возможностями  обладают  контроллеры  фирм SIEMENS (Германия), PEP Modular Computers (Германия), Schneider Electric (Франция), GE Fanuc (США, Корея), Octagon Systems (США), Advantech (Тайвань), Allen Bradley (США), Omron (Япония), Mitsubishi (Япония), National Instruments (США), Grayhill (США), WAGO (Германия), VIPA (Германия), Fastwel (Россия) и др.

Современные SCADA-системы не ограничивают выбор аппаратуры нижнего уровня – RTU, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов  ввода/вывода  и имеют хорошо  развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Драйверы разрабатываются на основе  стандартных  языков  программирования.  Так,  в  системе Trace Mode спецификации доступа к ядру системы поставляются фирмой-разработчиком в штатном комплекте.  Для SCADA FactoryLink, InTouch  для создания  драйверов необходимы  специальные пакеты.

Для  подсоединения  драйверов  ввода/вывода  к SCADA-системе используются  два механизма:  стандартный динамический  обмен данными (Dynamic Data Exchange – DDE) и обмен по внутреннему фирменному  протоколу.  Из-за  слабой  производительности  механизма DDE  компания Microsoft предложила  использование средства  передачи данных между процессами OLE (Object Linking and Embedding – включение и встраивание объектов). Механизм OLE поддерживается в SCADA-системах RSView, FIX, InTouch, Factory Link и др. На базе OLE появился новый стандарт OPC (OLE для АСУ ТП), ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт позволяет объединить на уровне объектов различные системы автоматизации и устранить необходимость использования различного  нестандартного  оборудования  и соответствующих коммуникационных программных драйверов.

  С точки  зрения SCADA-систем, появление OPC-серверов означает разработку программных стандартов обмена данными с технологическими устройствами. На рынке появились инструментальные пакеты для написания OPC-компонентов, например, OPC-Toolkits фирмы FactorySoft Inc., включающий OPC Server Toolkit, OPC Client Toolkit, примеры OPC-программ [7]. 

  Одной   из  важных  проблем  при   реализации  систем  управления  производственными  процессами  является  проблема  резервирования  каналов. Локальная система АСУ  ТП, показанная на Рис.1.10, и распределенная  система на Рис.1.11 имеют общую  особенность. Обе системы  полностью   выйдут  из  строя,  если  всего   в  одном  компоненте системы  (PC, соединенном с PLC или сетью PLC) возникает неисправность,  что бывает  в жестких условиях  производственной  эксплуатации  оборудования.  Если  какие-либо  компоненты  производственного процесса  являются критически важными или стоимость остановки производства  очень высока,  возникает необходимость построения резервирующих подсистем. SCADA-системы Citect и Trace Mode  обеспечивают  реализацию  резервирования  большинства компонентов как вследствие особенности архитектуры, так и из-за наличия встроенных механизмов.

Распределение процессов управления и контроля по нескольким PC, объединенным в локальную сеть, позволяет увеличить эффективность и скорость всей системы. В простой системе PC, соединенный с промышленным оборудованием, становится сервером, предназначенным для взаимодействия с PLC, в то время как PC в локальной сети являются клиентами (Рис.1.12).

  Когда  компьютеру-клиенту требуются данные  для отображения, он  запрашивает   их  у  сервера  и  затем   обрабатывает  локально.  Для обеспечения  резервирования в систему может  быть добавлен второй (резервный)  сервер, предназначенный для взаимодействия  с промышленным оборудованием.  Если основной сервер выходит  из строя, запросы клиентов  направляются к резервному серверу.  Резервный сервер  при  этом  не  должен  полностью  дублировать   работу  основного, так как   в этом случае оба сервера  взаимодействуют с контроллерами,  удваивая нагрузку на промышленную  сеть, и, следовательно, сокращая общую производительность.

1.2. Сравнительный  анализ SCADA-систем

Выбор SCADA-системы для конкретного комплекса технологических процессов – это многокритериальная задача, связанная с поиском компромиссного  решения относительно  надежности,  стоимости, технического уровня, удобства HMI, затратами на сервисное обслуживание. Существенное влияние на выбор SCADA-системы оказывают следующие параметры:  характеристики,  особенности динамики  объекта автоматизации;  учет  использования SCADA-системы на других объектах автоматизации; компьютерная платформа, число и расположение  АРМ;  число,  типы  контроллерного  оборудования, датчиков,  исполнительных  механизмов;  тип интерфейсов,  протоколов, сетевая архитектура; число измеряемых и управляющих величин на АРМ; степень защиты, надежность.

В SCADA-системах иерархию критериев можно рассмотреть  по схеме: надежность (отсутствие рекламаций, количество инсталляций в отраслях промышленности); обмен данными (поддержка  стандартных  сетевых  протоколов  и  форматов  данных,  наличие  встроенных драйверов  к  аппаратным  средствам  автоматизации,  производительность);  удобство  работы (возможность  автоматического  построения проекта,  универсальность  и  наличие  стандартных  языков  математического  описания  данных  и  процессов,  удобство  пользовательского  интерфейса);  техническая поддержка (возможность поддержки от разработчиков);  цена (зависимость цены  системы от  конфигурации, возможность получения новых версий и бесплатного обновления релизов, наличие бесплатной системы разработки).

  Программный   комплекс  Factory Suite  компании Wonderware предназначен для разработки систем автоматизации промышленных предприятий и состоит из  следующих взаимодействующих друг  с другом компонентов: InTouch – SCADA-система для визуализации и управления технологическими процессами; IndustrialSQL Server – реляционная СУБД реального времени; InControl – пакет для управления контроллерным оборудованием; Scout – средство программирования  через Internet/Intranet – сети; InTrack – система управления производством; InBatch – система управления процессами дозирования и смешивания.

  InTouch – широко  известная  и распространенная  в мире SCADA-система. HMI позволяет контролировать и управлять всеми объектами и системами, используя графические объекты. Он включает: отображение параметров для управления сигналами; отображение текущих и исторических  трендов;  отображение и регистрацию аварийных сигналов. 

  Исполнительная  система InTouch поддерживает базу данных текущих значений  процесса.  Эти значения  могут отражать  заданные точки контроля устройств, представляющие собой параметры физического объекта,  или точки,  представляющие  расчетные значения.

Значения  параметров  собираются  и  обрабатываются  на PC, использующих распределенную структуру  программного обеспечения.

 InTouch представляет  набор инструментов  для графического отображения состояния процесса.  Графические объекты могут быть анимированы с использованием следующих динамических атрибутов: