Category Archives: SCADA ликбез

Управляющие системы типа SCADA и DCS

Концепция SCADA была выработана в поисках способов организации управления на распределённых предприятиях, занимающихся водоснабжением и сбором сточных вод, транспортировкой нефти и газа, доставкой электроэнергии и т.п. Аналогами SCADA-систем для обрабатывающей промышленности, появившимися под влиянием схожих причин и призванными решать схожие задачи, являются управляющие решения типа DCS.

Есть разные мнения относительно того, как следует расшифровывать аббревиатуру DCS, однако большинство специалистов склоняются к варианту Distributed Control System – распределённая система управления. DCS-решения всегда были почти полностью частнофирменными и продолжают оставаться таковыми по сей день. В этом отношении управляющие системы DCS сильно отличаются от управляющих систем SCADA, которые также относятся к распределённым, но строятся с использованием COTS-продуктов и открытых технологий.

Однако с течением времени дистанция между решениями двух типов сокращается. Управляющие системы на базе SCADA вбирают в себя всё больше оригинальной DCS-функциональности, включая локальное управление с обратной связью, работу с алармами, оптимизацию технологических процессов и анализ данных. В свою очередь, DCS-поставщики предлагают системы, трудноотличимые от их SCADA-аналогов, но по-прежнему называющиеся DCS.

Если забыть о некоторых особо критических функциях, востребованных в нефтехимических приложениях, типичная сегодняшняя DCS-система, которую предлагает классический поставщик промышленных управляющих решений, ничем не отличается от типичной сегодняшней SCADA-системы, над которой поколдовал интегратор.

Возможности современных управляющих систем

Современные управляющие системы типа SCADA обладают такими возможностями, о которых пионеры SCADA-направления 50 лет назад не могли и мечтать.

В SCADA-пакетах XXI века предусмотрены средства разработки и библиотеки объектов, при помощи которых пользователи могут создавать собственные графические интерфейсы под свои нужды с соблюдением рекомендаций EEMUA и ASM. Операторам доступно всё, что необходимо для построения конечного SCADA-решения на базе коммерческого SCADA-пакета с объектным конфигурированием, включая различные инструменты, шаблоны и подсказки.

Используя высокоскоростные соединения Ethernet и TCP/IP, операторы могут работать буквально с тысячами удалённых статусных точек, а при достаточной пропускной способности каналов даже получать с удалённых локаций видеоизображения. Во многих сегодняшних SCADA-системах, использующихся в нефтяной и газовой отраслях, каналы связи организуются на основе волоконной оптики, что обеспечивает максимально возможную пропускную способность и скорость передачи данных.

Современные SCADA-сети

В превращении SCADA-систем из полностью частнофирменных, каковыми они были в 1970 годах, в почти полностью открытые, каковыми они стали в начале XXI века, большая заслуга принадлежит открытым сетевым протоколам. Первым таким протоколом стал Modbus, затем в корпоративном мире развился сектор IT, где был придуман способ объединения отдельных компьютеров в сети с архитектурой «клиент-сервер». Появление технологии Ethernet и её сращивание со стеком протоколов TCP/IP позволило организовывать перемещение огромных объёмов данных на большие расстояния с использованием исключительно COTS-продуктов и открытых нечастнофирменных технологий.

Кроме того, настойчивость, с которой компания Microsoft стремилась к созданию универсального механизма, который должен был позволить приложениям разных поставщиков взаимодействовать между собой, привела к появлению в индустрии SCADA ряда промышленных стандартов: сначала DCOM и OLE, затем OPC – специальной версии OLE для автоматизации технологических процессов.

В современных управляющих системах типа SCADA связь с полевыми устройствами и корпоративным уровнем реализуется поверх Ethernet или беспроводных сетей на базе технологий OPC и TCP/IP, не привязанных жёстко к конкретным коммуникационным протоколам и средам. В самых новых системах применяются сервисы Microsoft .NET и стандарт XML, которые расширяют возможности технологии OPC и традиционных сетевых коммуникаций.

Частнофирменные дистанционные терминалы и программируемые контроллеры

Частнофирменные дистанционные терминалы и программируемые контроллеры

Поначалу в SCADA-подобных управляющих системах частнофирменным было всё. Дистанционные терминалы представляли собой шасси с одной или несколькими платами частнофирменной конструкции, и для организации связи с головной станцией использовались частнофирменные технологии.

Появление программируемых логических контроллеров заставило SCADA-инженеров задуматься о преимуществах коммерчески готового оборудования (COTS). Технология Modbus перевела эти размышления в практическую плоскость: ПЛК с поддержкой шины Modbus стали доступной и достойной заменой для частнофирменных дистанционных терминалов. ПЛК, промышленные шины и виртуальные человеко-машинные интерфейсы обеспечили доступ на рынок SCADA коммерчески готовых продуктов и технологий, подходящих для использования как на удалённых, так и на головных станциях. Чем совершеннее становились программируемые логические контроллеры, тем более сложную функциональность дистанционных терминалов в них можно было реализовывать. Чем лучше, быстрее и мощнее делались компьютеры на базе ОС Windows, тем лучше, быстрее и мощнее становились программные продукты класса SCADA/HMI.

К началу 1990 годов благодаря появлению коммерческого программного обеспечения для управления базами данных и увеличению объёмов памяти появилась возможность организации сбора, хранения и быстрого анализа огромных объёмов рабочих данных на базе ПЛК и ПК.

Последними кусками мозаики стали однотеговые базы данных и программируемые контроллеры автоматизации (ПКА, Programmable Automation Controller), идущие на смену простоватым и недостаточно гибким ПЛК. Контроллеры типа ПКА разрабатываются специально под однотеговые БД, что создаёт условия для бесшовной интеграции на технологической платформе SCADA и обеспечения целостности данных от уровня устройств до архивного хранилища.

Дистанционное управление: история развития

От арендованных телефонных линий к радиосвязи

В ранних SCADA-системах, использовавшихся на предприятиях водоснабжения и сбора сточных вод, применялись арендованные телефонные пары, по одной паре на один сигнал/аларм. Однако подведение телефонных линий к удалённым станциям влетало в копеечку, да и арендная плата была высока; к тому же телекоммуникационные компании неохотно соглашались на фиксацию отдельных соединений в своих коммутаторах. Это подвигало SCADA-операторов на поиск других решений. В 1970 годах многие попытались перейти на радиосвязь и немедленно столкнулись с целым рядом проблем: полосы частот тогда были значительно уже, чем в начале XXI столетия, а правила лицензирования частот в городах по всему миру были таковы, что зачастую превращали SCADA-системы на базе радио в несбыточную мечту.

От аналога к цифре

Ситуация упростилась после того, как в 70 годах прошлого века начался переход с аналоговой телеметрии, функционирующей по принципу частотной манипуляции (Frequency Shift Keying/FSK), к цифровой телеметрии. Первые цифровые решения были частнофирменными, затем появились системы на базе COTS-продуктов (Commercial Off The Shelf/готовые коммерческие продукты с полки). Микропроцессоры вкупе с разработанными в НАСА технологиями сжатия и кодирования (метод Боуза – Чоудхури и др.) позволили организовывать передачу на одной радиочастоте (или по одной арендованной линии в тех случаях, когда использовать радио было нельзя) сразу несколько алармов и аналоговых величин.

В конце концов SCADA-системы стали давать своим пользователям то, о чём те всегда мечтали: актуальную информацию о происходящем в масштабах всего предприятия плюс возможность управления всем предприятием из единого центра. И всё же первые цифровые решения были не так надёжны, как реле, подключённые к одному FSK-каналу. SCADA-системы с радиосвязью периодически оказывались недоступны, что могло быть обусловлено самыми разными причинами, вплоть до вспышек на Солнце. Арендованные телефонные линии также не были панацеей: их могли порвать строители. Да и печатные платы сорок лет назад были совсем не так надёжны, как сегодня – отказы компонентов и просчёты в конструкции были самым обычным делом.

В силу всего вышесказанного ранние SCADA-системы проектировались таким образом, чтобы сохранить за удалёнными станциями как можно больше управляющих функций. Были разработаны специальные дистанционные терминалы (Remote Terminal Unit/RTU), способные хранить ограниченные объёмы данных и поддерживать работу удалённых станций в периоды отсутствия связи с головной станцией. Типичная SCADA-система первого поколения оставалась подключённой к имитационной стене, и очень часто для обслуживания такой системы требовались «операторы на колёсах».

Человеко-машинные интерфейсы

А потом всё изменилось. С появлением компьютеров Macintosh, рабочих станций Silicon Graphics, частнофирменного графического программного обеспечения и, наконец, операционных систем Windows у разработчиков появилась возможность создавать человеко-машинные интерфейсы (Human Machine Interface/HMI), заменившие имитационные стены и оставившие «операторов на колёсах» без работы.

Программные человеко-машинные интерфейсы всегда представляли собой нечто большее, чем просто ПО для визуализации состояния системы в реальном времени. Реальные решения класса HMI, вроде тех, что предлагала и продолжает предлагать компания Citect, практически с самого начала были программно-реализованными версиями головной станции SCADA-системы. Самые ранние SCADA-пакеты, где предусматривались такие виртуальные средства управления, как переключатели «ручн./выкл./автом.», регуляторы режима работы насосов, модули алармов и другие, требовали использования частнофирменных печатных плат. В XXI столетии размеры управляющих систем типа SCADA ограничиваются лишь производительностью процессора, точнее, временем, которое требуется главному компьютеру на опрос всех узлов.

Сегодня никого не удивляют SCADA-решения с 500000 узлами, а появление управляющих систем-«миллионщиков» (1000000 узлов) ожидается уже к 2015 году.

Сферы применения SCADA систем

Управляющие системы типа SCADA возникли в тех отраслях, где в отличие от обрабатывающей промышленности «производственные мощности» в принципе нельзя объединить под крышей одного или нескольких близко расположенных зданий. Основными пользователями SCADA-решений во все времена были распределённые компании и предприятия, занимающиеся:

  • водоснабжением и водоочисткой,
  • сбором производственных и ливневых сточных вод,
  • регулированием паводков и дренажем,
  • ирригацией,
  • энергоснабжением,
  • добычей и транспортировкой нефти,
  • транспортировкой природного газа,

а также

  • крупные промышленные предприятия, имеющие удалённые станции.

Основными стимулами развития SCADA-систем и роста их популярности на протяжении последних пятидесяти лет служили два тесно связанных друг с другом фактора. Первый – это желание операторов иметь более полный и качественный контроль над распределёнными процессами. Второй фактор – это стремление руководства сокращать и регулировать расходы.

Стремительный рост расходов за последние полвека в значительной степени обусловлен увеличением затрат на электроэнергию и рабочую силу. В отсутствие SCADA-системы насосами и прочими удалёнными станциями приходится управлять локально, руководствуясь информацией о давлении, расходе и другими данными, получаемыми на местах. Разные станции в этом случае управляются совершенно независимо, даже если они являются частью одной распределительной сети.

В начале 1970 годов поставщики электроэнергии стали брать повышенную плату с водоснабженческих, водоочистных, нефтяных и газовых компаний за пользование электричеством для питания насосов в часы наибольшей нагрузки (peak pumping rates). Для очень многих крупных потребителей электричества из соответствующих отраслей такая повышенная плата была разорительной и вынуждала их эксплуатировать свои насосы по возможности в другое время.

Если предприятие водоснабжения желает минимизировать свои расходы через регулирование поставок воды в какой-либо сектор своей распределительной сети, оно может обойтись без периодических включений-отключений насосов: для поддержания давления на нормальном уровне вполне достаточно дополнительных водонапорных башен и динамического открытия-закрытия межсекторных вентилей. Подобные методы позволяют осуществлять непрерывную подачу воды в сектор распределительной сети и поддерживать в нём нормальное давление с одновременной минимизацией энергопотребления, но требуют наличия головной станции, куда стекаются данные с удалённых локаций.

Другая причина роста расходов – это рабочая сила. До наступления эпохи современных SCADA-решений, типичная распределённая система управления, будь то управление водоснабжением, водоочисткой, ирригацией или транспортировкой углеводородов, требовала наличия штата «операторов на колёсах», периодически посещающих удалённые станции с целью сбора данных, внесения изменений, контроля над соблюдением требований к техническому обслуживанию и проведения инспекций. Причём эта деятельность должна была осуществляться непрерывно и круглосуточно – 24 часа в день 7 дней в неделю. В 70 годах прошлого века типичная сеть водоснабжения в США обслуживалась в среднем шестью-восемью «операторами на колёсах».

Существуют и другие факторы, способствующие развитию рынка управляющих систем типа SCADA. Это демографические изменения, рост эксплуатационных расходов и неэффективность альтернативных методов. Содержать операторов, разъезжающих от станции к станции для проведения рутинных инспекций, стало просто-напросто невыгодно. Такое удовольствие слишком дорого стоит, да и квалифицированных операторов в наши дни не так много, и их ещё придётся упрашивать взяться за такую работу.

Не говоря уже о том, что оперативность обновления информации, максимально приближенная к реальному времени, считается необходимым условием для оптимизации работы распределённого предприятия, имеющего удалённые станции.

Первые SCADA системы

Первые SCADA системы появились в начале 70-х годов прошлого века. Тогда их еще называли «телеметрическими» системами, т.к. с их помощью пытались организовать дистанционный контроль некоторого количества параметров (изначально всего одного-двух). Тогда никто еще и представить не мог что уже в конце века Оператор системы сможет увидеть почти все происходящее на удаленной станции. Именно тогда были заложены основные принципы работы, по которым работают все основные SCADA сисмемы в настоящее время. Состояние системы в то время отображалось на специальных «имитационных стенах» (mimic wall). Эти стены работали в режиме «приближнному к реальному времени», т.к. показания лампочек и индикаторов изменяли вручную операторы (по мере того, как получали новые данные по состоямиям удаленных локаций).

Само сокращение SCADA можно расщифровать как Supervisory Control and Data Acquisition — диспетчерский контроль и сбор данных. Почему «Supervisory»? В первых системах (например системах водоснабжения и водоочистки в 60-70 годах XX века) было очень сложно организовать связь между диспечерской (головной станцией SCADA) и удаленными станциями. Первые SCADA системы были созданы как раз для того, чтобы нададить сбор данных с удаленных локаций.

Какие данные им представляло собирать? Например, информация о давлении в трубах или о расходе воды. Эта информация являеться очень важной при добыче и транспортироваке нефти или в системах водоснабжения и водоочистки. В самых первых SCADA системах контролировались всего несколько (1-2) аларма. Они осуществляли контроль входа в здание или передовали сигналы о состоянии системы («ёмкость пуста», «ёмкость заполнена» или «отказ насоса»).

Почемы система могла обрабатывать только один-два параметра? Большее количество параметров проверять на тот момент времени было не возможно, т.к. управляющие системы находилсь тогда в зачаточном состоянии. Тогда даже не могли наладить дистанционный контроль времени работы насосов, неговоря уже о контроле пяти-шести показателй на каждой удалаенной станции.