Лекция 5 Технические средства АТТП. Часть 3 - SCADA-системы

Для автоматизации непрерывных технологических процессов, таких как, например, переработка нефти и газа, а также нефтехимические процессы наиболее адаптированы DCS-системы (см. следующую лекцию). Х арактерная черта управляющих процессоров (контроллеров) DCS-систем - способность поддерживать большое количество контуров ПИД -регулирования.

Для рассредоточенных объектов, таких, как нефтяные и газовые промыслы, а также для объектов транспорта нефти и газа применяют системы, построенные на базе PLC и программного обеспечения SCADA. Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления функциями большого количества распределенных устройств (часто находящихся на большом расстоянии друг от друга и от диспетчерского пункта). Количество возможных устройств, работающих под управлением систем диспетчерского контроля и управления, велико и может достигать нескольких сотен. Для этих систем наиболее характерной задачей является сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными (удаленными) терминальными устройствами (RTU)

Ранние управляющие решения, предварившие наступление эры SCADA, назывались «телеметрическими» системами и представляли собой попытки организовать дистанционный мониторинг небольшого числа параметров (обычно одного-двух). В те времена никому и в голову не могло прийти, что уже к концу столетия оператор управляющей системы будет видеть буквально всё происходящее на удалённой станции. Тем не менее, все основные требования, которым должны удовлетворять современные решения типа SCADA, равно как и большинство обеспечиваемых такими решениями преимуществ, присутствовали уже в телеметрических системах начала 70 годов прошлого века хотя бы в зачаточном виде. Для отображения текущего состояния системы тогда использовались «имитационные стены» (mimic wall). Оперативность вывода информации на такие стены можно охарактеризовать как «приближающуюся к реальному времени»: показания индикаторов и лампочек изменялись вручную по мере того, как перемещающиеся по удалённым локациям операторы получали новые данные.

Аббревиатура SCADA расшифровывается как Supervisory Control and Data Acquisition – диспетчерский контроль и сбор данных.

Традиционные рынки и движущие силы. 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.

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.

Современные SCADA-сети. В превращении SCADA-систем из полностью частно фирменных, 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.

Сближение управляющих систем 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.

Пример обобщенной архитектура системы управления объектами добычи, подготовки и транспорта нефти и газа (SCADA)

На рисунке 5.1 представлена архитектура многоуровневой системы управления, обобщающая многочисленные применения таких систем для управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности.

Как правило, это двухуровневые системы, и именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно - аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики (измерительные преобразователи) для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные устройства для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным контроллерам (PLC), которые могут обеспечить реализацию следующих функций:

· сбор, первичная обработка и хранение информации о состоянии

· оборудования и параметрах технологического процесса;

· автоматическое логическое управление и регулирование;

· исполнение команд с пункта управления;

· самодиагностика работы программного обеспечения и состояния самого контроллера;

· - обмен информацией с пунктами управления.

Рисунок 5.1 - Обобщенная структурная схема системы управления.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня (см. рисунок 5.1). В зависимости от поставленной задачи контроллеры верхнего уровня (концентраторы, коммуникационные контроллеры) реализуют различные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

· сбор данных с локальных контроллеров;

· обработка данных, включая масшта­бирование;

· поддержание единого времени в сис­теме;

· синхронизация работы подсистем;

· организация архивов по выбранным параметрам;

· обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

· - работа в автономном режиме при нарушениях связи с верхним уровнем;

· - резервирование каналов передачи данных и др.

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП) - включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера/оператора. Здесь же может быть размещен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции). Чаще в качестве рабочих станций (ППК) используются ПЭВМ класса IBM PC различных конфигураций.

Станции управления предназначены для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи и призвано решать программное обеспечение SCADA, ориентированное на разработку и поддержание интерфейса между диспетчером/оператором и системой управления, а также на обеспечение взаимодействия с внешним миром.

Все аппаратные средства системы управления объединены между собой каналами связи. На нижнем уровне контроллеры взаимодействуют с датчиками и исполнительными устройствами посредством физических линий, а с блоками удаленного и распределенного ввода/вывода - с помощью специализированных сетей. Связь удаленных контроллеров с контроллерами верхнего уровня (концентраторами) часто реализуется по радио и телефонным каналам. В случае небольших расстояний локальные контроллеры объединяются между собой и с верхним уровнем управляющими сетями на базе витой пары, оптоволокна.

Связь различных АРМ оперативного персонала и специалистов между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей (витая пара, оптоволокно).

Спектр реализаций RTU в таких системах управления достаточно широк. Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Это могут быть промышленные компьютеры (PC-совместимые контроллеры) или программируемые логические контроллеры (PLC/ПЛК). На российском рынке представлена широкая гамма контроллеров самых различных конфигураций и назначений.

Что касается программного продукта типа SCADA, то сейчас на российском рынке присутствует несколько десятков открытых SCADA-пакетов, обладающих практически одинаковыми функциональными возможностями. Тем не менее, каждый SCADA-пакет является по-своему уникальным, и его выбор для конкретной системы автоматизации по-прежнему остается актуальным.

Выбор коммуникационного программного обеспечения (протоколов обмена информацией) для конкретной системы управления определяется многими факторами, в том числе и типом применяемых контроллеров, и выбранным SCADA-пакетом.

Программно-аппаратные средства автоматизации процессов. Для управления непрерывными технологическими процессами (заводскими) существуют специализированные программно-аппаратные средства, которые получили название Distributed Control Systems – DCS (распределенные системы управления – РСУ, см. следующую лекцию).

Если контроллеры в свое время пришли в автоматизацию для обработки дискретных сигналов, то DCS-системы изначально предназначались для работы с аналоговыми сигналами. Именно аналоговые сигналы датчиков температуры, давления, уровня, расхода определяют состояние технологических процессов переработки нефти и газа. Одна из основных задач управления такими процессами – стабилизация большого количества технологических параметров, которые часто являются взаимозависимыми. Но это не означает, что современные DCS-системы не адаптированы для работы с дискретными сигналами.

Любая DCS-система – это система, включающая в себя все компоненты системы управления: контроллеры (управляющие процессоры), сети и интерфейсы связи, программное обеспечение станций операторов, инжиниринговых станций. Все эти программно-аппаратные средства называются системой, более того, интегрированной системой, так как взаимодействие всех компонентов такой системы (и программных, и аппаратных) обеспечено фирмой - производителем. Понятно, что в этом случае можно говорить о высокой степени готовности этих средств и высокой надежности, так как это взаимодействие “оттачивается” многими годами в “лабораторных” условиях специалистами самой фирмы.

Этого не скажешь о SCADA-системах, когда созданием системы управления занимаются фирмы - системные интеграторы. Приходится “стыковать” программно-аппаратные средства разных производителей в рамках реального времени, отпущенного на разработку проекта. Для приобретения опыта (который, как известно, приходит не сразу) требуется время.

В рамках этой лекции трудно описать все тонкости и нюансы выбора того или иного подхода к созданию системы управления. Этот выбор определяется очень многими факторами и в каких-то случаях очевиден и однозначен. В других случаях возможны варианты выбора и того, и другого подхода. При этом должны быть выдвинуты дополнительные критерии, способные склонить чашу весов в ту или иную сторону.

Утверждать можно лишь следующее. Сегодня выбор DCS-системы обойдется потребителю дороже (в среднем) по сравнению с выбором PLC и SCADA. Но желание сэкономить, в свою очередь, может привести к отрицательному результату.