Термин Supervisory Control And Data Acquisition System (Система сбора данных и оперативного диспетчерского управления), или SCADA-система появился в конце 80-х гг. XX в. одновременно с первыми попытками использования персональных компьютеров с установленными на них графическими приложениями в качестве пультов операторов.
Первые SCADA-системы были разработаны для операционных систем DOS или Unix и обладали достаточно скромными возможностями как в силу аппаратных ограничений оборудования, так и графических возможностей операционных систем. Широкое распространение SCADA-системы получили одновременно с появлением графических интерфейсов, таких, как Windows 3.11, X-Windows, Phantom, и аппаратного обеспечения, позволяющего достичь требуемой скорости выполнения процессов в многозадачных режимах.
Причина появления SCADA-систем как средств для разработки ПО верхнего уровня аналогична причинам появления таких систем, как Borland Delphi и других визуальных систем программирования. Их основная задача – снять с разработчиков ПО рутинную и, по сути, бесполезную нагрузку по описанию стандартных интерфейсов и функций. При этом следует понимать, что использование SCADA-систем не предполагает снижения требований к уровню квалификации разработчика, как это пытаются представить.
Следует различать системы MMI (Man Machine Interface) и SCADA, поскольку и те и другие успешно развиваются независимо друг от друга, занимая различные ниши на рынке устройств HMI (Human Machine Interface).
Системы MMI фактически представляют собой локальные пульты управления отдельными устройствами или технологическими установками, оснащенные алфавитно-цифровыми экранами и клавиатурами или графическими, как правило сенсорными, экранами.
В большинстве случаев устройство MMI реализовано с использованием специализированного контроллера и его программная часть не предполагает дальнейшей модификации или изменения.
В то же время, SCADA-системы предполагают использование стандартных персональных компьютеров и операционных систем, используются для автоматизации процесса управления большими технологическими процессами, в которых задействуется большое число исполнительных устройств и технологических установок, а также поддерживают возможность реализации распределенных приложений (использования нескольких пультов операторов).
Четко провести границу между MMI- и SCADA-системами невозможно вследствие существования систем сквозного программирования, в которых часто отсутствует разграничение между средствами разработки ПО для различных уровней системы управления.
Отсутствие единого стандарта, описывающего назначение и функцио-нальный состав SCADA-систем, и различие трактовок самого термина «SCADA» затрудняют классификацию и сравнение систем данного класса.
Можно выделить следующие основные группы SCADA-систем:
-
SCADA-системы, разработанные производителями контроллеров;
-
SCADA-системы, разработанные независимыми производителями;
-
SCADA-системы составные части систем сквозного программирования.
Задачей производителя контроллерного оборудования при разработке собственной SCADA-системы является предоставление конечному пользователю средства для разработки приложений визуализации при использовании контроллеров этого производителя.
Можно выделить следующие основные черты таких систем:
-
интерфейс этих систем повторяет интерфейс средств написания ПО для контроллерного оборудования;
-
компоненты SCADA-системы оптимизированы для работы с данными, получаемыми от контроллерного оборудования конкретного производителя;
-
интерфейсы обмена данными с оборудованием других производителей реализованы слабо, либо их использование затруднено.
Классическим примером такой системы служит Siemens WinCC. Использование таких фирменных систем, с одной стороны, позволяет минимизировать затраты на обучение специалистов по разработке ПО, но с другой – жестко привязывает и разработчика, и конечного пользователя системы к конкретному производителю или даже к конкретной линейке оборудования одного производителя.
Кроме того, ряд производителей контроллерного оборудования были вынуждены разработать собственные SCADA-системы в маркетинговых целях, не обеспечив свои программные продукты необходимым уровнем поддержки и сопровождения.
SCADA-системы независимых производителей являются наиболее гибкими средствами для создания приложений визуализации и управления технологическими процессами. К их достоинствам можно отнести поддержку большого числа функций по созданию децентрализованных и распределенных систем управления, а также возможность интеграции в одной системе оборудования различных, в том числе конкурирующих, производителей.
Для обмена данными с исполнительным оборудованием такие системы используют программные серверы ввода-вывода, реализующие интерфейсы DDE или OPC. Распространенность таких SCADA-систем, а также необходимость соответствия стандартам на средства автоматизации привела к тому, что все разработчики контроллерного оборудования имеют собственные программные OPC- или DDE-серверы, которые поставляются в комплекте с оборудованием либо под заказ.
Поскольку система сквозного программирования предполагает разработку операторских станций как составной части системы управления, то в ней всегда присутствуют отдельные компоненты SCADA-системы. Однако поскольку вся система функционирует как единое целое, то эти компоненты могут также являться составными частями других модулей системы сквозного программирования или же в программном продукте бывает невозможно выделить SCADA-систему в чистом виде.
Таким системам присущи те же достоинства и недостатки, что и SCADA-системам, разработанным производителями контроллеров с учетом двух основных отличий:
-
у SCADA-систем, которые являются составными частями систем сквозного программирования, практически отсутствует возможность стыковки с программными и аппаратными средствами других производителей;
-
роль SCADA-системы в таких приложениях ограничивается разработкой графического интерфейса.
Состав и структура SCADA-систем
Состав и структура SCADA-систем
Обычно SCADA-системы состоят из двух отдельных наборов программных продуктов: среды разработки и среды исполнения.
Средой разработки называют тот набор, при помощи которого проектируется и настраивается среда визуализации технологического процесса.
Среда исполнения – это тот набор программных продуктов, который необходим для работы проекта программы визуализации технологического процесса на операторской станции.
Отдельного рассмотрения заслуживает вопрос взаимодействия среды разработки и среды исполнения при одновременной работе с одним проектом разработчика и оператора:
1. Изменения, вносимые разработчиком, вступают в силу немедленно.
2. Среда исполнения отражает внесенные изменения по мере их обнаружения в исходном коде проекта.
3. Изменения отражаются в среде исполнения при перезагрузке или принудительно.
Реализация первого типа взаимодействия позволяет достаточно наглядно и эффектно демонстрировать возможности продукта на коммерческих презентациях и поэтому иногда реализуется в конечных программных продуктах. Однако при работе с реальными проектами существует потенциальная опасность исчезновения части графического интерфейса или динамического перемещения элементов управления. В связи с этим наибольшее распространение получили второй и третий тип взаимодействия или их сочетание.
Можно выделить следующие основные части SCADA-системы:
-
база тэгов;
-
модуль графического отображения;
-
обработчик сценариев;
-
система аварийной и предупредительной сигнализации;
-
модуль архивирования параметров технологического процесса.
Тэг SCADA-системы – это объект для хранения значения параметра технологического процесса и его свойств. Иногда тэги неправильно называют «переменными». В то же время, понятие тэга наиболее близко к определению класса в объектных языках программирования.
Модуль графического отображения реализует графический интерфейс проекта. Как правило, графический интерфейс представляет собой набор экранных форм с размещенными на них графическими элементами. Задача создания экранной формы сводится к размещению графических элементов на экранных формах и заданию их свойств.
В процессе вызова, отображения и закрытия экранных форм, при щелчках мышью на графических объектах, изменении свойств или значений отдельных тэгов возникает необходимость осуществления вычислений или действий, для чего в SCADA-системах существует обработчик сценариев. Сценарии в некоторых системах также называют «макросами» или «скриптами».
Большинство сценариев SCADA-систем, реализующих графический интерфейс автоматизированных рабочих мест операторов, являются обработчиками щелчков мышью на графических элементах.
Для написания сценариев SCADA-системы различных производителей предлагают один или несколько языков. Системы, разрабатываемые производителями контроллеров или входящие в состав систем сквозного программирования, как правило, предлагают для написания сценариев те же языки программирования, что и для написания программного обеспечения контроллеров. SCADA-системы независимых производителей часто предлагают для реализации сценариев специализированные макроязыки
Использование языков программирования общего назначения позволяет реализовывать сложные пользовательские интерфейсы и нестандартные методы работы с данными благодаря доступу к дополнительным библиотекам и прикладному интерфейсу программ.
В то же время, разработчику в любом случае приходится изучать библиотеки функций для работы с компонентами SCADA-системы, аналогично тому, как изучаются макроязыки, а реализуемый код может быть потенциально опасен или наследовать ошибки сторонних библиотек функций.
Система аварийной и предупредительной сигнализации (Alarm System) предназначена для извещения оператора о выходе значения параметра технологического процесса за допустимые пределы. Как правило, для каждого технологического параметра можно задать 2 типа уставок, по которым будет происходить извещение: соответственно аварийную и предупредительную уставки.
В зависимости от возможностей системы данные уставки задаются по одному или нескольким критериям:
-
Выход за допустимый диапазон. В этом случае разделяют: верхнюю и нижнюю предупредительные уставки и верхнюю и нижнюю аварийные уставки.
-
Отклонение от номинала на некоторое значение. Выделяют минимально и максимально допустимые отклонения от заданного значения.
-
Задание максимально допустимой скорости изменения значения параметра технологического процесса. Значения уставок допустимого диапазона задаются в абсолютных единицах измерения, а значения отклонения от номинала и скорости изменения могут задаваться как в абсолютных единицах, так и в процентах от текущего или заданного значения.
В связи с тем, что для одного технологического процесса количество параметров, для которых заданы аварийные и предупредительные уставки, может быть велико, в SCADA-системах существует возможность объединять контролируемые технологически параметры в группы, а также задавать уровень приоритета для каждой уставки.
Основная задача модуля архивирования – обеспечение возможности вывода на экран монитора графиков значений технологических параметров (Trends) за относительно короткий период, а также построение простых отчетов. Модуль архивирования значений SCADA-системы должен обеспечивать следующие функции:
-
архивирование значений в локальную базу данных с заданной периодичностью или по изменению;
-
при архивировании значений по факту изменения – возможность задания зоны нечувствительности для архивирования;
-
задание ограничения на размер локальной базы данных;
-
задание времени хранения значений;
-
проведение регламентных работ по удалению устаревших или самых ранних значений при превышении времени хранения или размера базы в автоматическом режиме;
-
наличие интерфейса для построения графиков архивных значений и их просмотра;
-
наличие системы экспорта значений параметра за указанный период в виде таблицы значений.