Главная » Что Такое SCADA
Что такое система SCADA
Термин SCADA означает «Supervisory Control And Data Acquisition». Это определение ясно описывает его функции и цели: надзор, управление и сбор данных.
Система SCADA обычно состоит из следующих элементов:
Один или несколько объединённых в сеть компьютеров, отвечающих за функции диспетчеризации и, в частности, за человеко-машинный интерфейс
Ряд периферийных устройств (RTU, модулей I/O или ПЛК), которые с помощью датчиков и исполнительных механизмов напрямую взаимодействуют с технологическим процессом (оборудованием, установками и т. д.)
Сеть передачи данных, характеризующаяся множеством каналов связи и протоколов обмена данными, обеспечивающая корректный обмен информацией между компьютерами диспетчеризации и периферийными устройствами
Под программным обеспечением SCADA понимается интегрированная среда разработки, предоставляющая все необходимые инструменты для создания SCADA-приложений, предназначенных для работы на компьютерах диспетчеризации, с целью выполнения основных функций систем SCADA: диспетчеризации, управления и сбора данных.
Надзор
Диспетчеризация должна позволять оператору наблюдать за состоянием процесса и отслеживать его развитие во времени, анализируя последовательность состояний.
На практике надзор осуществляется через человеко-машинный интерфейс (HMI), эффективность которого зависит от способности обеспечивать чёткое и оперативное представление процесса, его развития и отклонений от ожидаемого поведения.
В связи с этим способ визуализации информации приобретает решающее значение, поскольку данные о состоянии процесса должны передаваться оператору с ясностью и точностью.
Например, изменение состояния насоса может отображаться сменой цвета значка, изменение давления во времени — графиком, а срабатывание аварийного сигнала — всплывающим окном.
Управление
Функция управления в системе SCADA предоставляет оператору возможность воздействовать на процессы — вручную или посредством заранее заданных алгоритмов.
Важно отметить, что система SCADA не осуществляет управление процессом в реальном времени — эта задача возлагается на ПЛК. В данном контексте под управлением понимается целенаправленное изменение поведения процесса; например, в процесс может быть отправлен другой рецепт производства.
В качестве более наглядного примера рассмотрим процесс, требующий поддержания определённого диапазона температуры: уровень управления в реальном времени задействует исполнительные механизмы для поддержания температуры, тогда как система SCADA определяет требуемую уставку, которая может задаваться оператором, рецептом или даже рассчитываться программой на основе других переменных.
Сбор данных
Под сбором данных понимается прежде всего передача информации от периферийных устройств к компьютеру диспетчеризации, но также и в обратном направлении; важно отметить, что эта двусторонняя связь необходима, поскольку управление процессом со стороны системы диспетчеризации требует не только сбора данных о процессе, но и отправки команд самому процессу.
Из трёх характерных функций систем SCADA сбор данных является главной функцией, поскольку, обеспечивая связь между процессом и диспетчеризацией, он предоставляет ей всю информацию о состоянии процесса, необходимую для его наблюдения.
Задача сбора данных — обеспечить надёжную и точную передачу информации между процессом и системой диспетчеризации в условиях одновременного использования множества различных каналов связи и протоколов передачи данных.
Что такое SCADA-программное обеспечение
Под программным обеспечением SCADA понимается среда разработки, позволяющая создавать приложения диспетчеризации SCADA HMI. Существуют различные программные продукты SCADA от разных производителей, значительно отличающиеся по цене и возможностям. Тем не менее все программы SCADA, независимо от сложности, обладают общими характеристиками, охватывающими следующие аспекты: связь, человеко-машинный интерфейс, информация о процессе, отчёты и архитектура.
Функции связи реализуются с помощью инструментов разработки и библиотек драйверов для обмена данными с промышленными устройствами (ПЛК, регуляторами, измерительными приборами и т. д.) различных производителей в области промышленной автоматизации. Передача данных осуществляется через настраиваемые переменные и обеспечивается такими протоколами связи, как OPC, Siemens, Omron, Allen Bradley, Modbus RTU, Modbus TCP, KNX, Bacnet и др.
Человеко-машинный интерфейс включает инструменты разработки и графические библиотеки для создания статических и анимированных мнемосхем. Важно отметить, что способ отображения информации имеет решающее значение для успеха приложения SCADA.
Модули информации о процессе предоставляют инструменты разработки, используемые для передачи оператору текущего состояния (оперативных данных) процесса и его развития (исторических данных). Двумя ключевыми компонентами этой функции являются обработка аварийных сигналов и графическое отображение трендов зарегистрированных переменных во времени.
Функции отчётности предоставляют инструменты разработки для регистрации, организации и обработки данных. Это достигается путём создания файлов отчётов, предназначенных для анализа производства и контроля качества. Отчёты могут описывать конкретную производственную партию, отражать её характеристики и подтверждать соответствие установленным требованиям.
Аспект архитектуры описывает набор инструментов и принципов проектирования для построения сложной системы взаимосвязанных приложений. Эти приложения должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом через локальные (LAN) или публичные (Интернет) сети и быть доступными для нескольких операторов как локально, так и удалённо через веб-браузер.
Преимущества программного обеспечения SCADA
Приложения SCADA широко используются в большинстве отраслей промышленности и представляют значительную ценность для компаний любого размера, независимо от их сектора деятельности. Программное обеспечение SCADA является простым и интуитивно понятным и предназначено как идеальная среда разработки для создания сложных SCADA-приложений.
Приложения SCADA обладают многими преимуществами; среди них — повышение производительности за счет выполнения повторяющихся и монотонных задач без участия человека, более быстрая и стабильная реакция на аварийные сигналы и снижение экологических рисков благодаря более быстрому обнаружению и реагированию на аномальные условия работы. В более общем плане системы SCADA обеспечивают следующие ключевые возможности:
Они предоставляют большой объем технологической информации. Все данные, полученные от датчиков и устройств управления в реальном времени (ПЛК), собираются, сохраняются и дополнительно обрабатываются для контроля качества, диагностики эффективности и оптимизации производства.
Они обеспечивают ясный и интуитивно понятный обзор установки. Человеко-машинный интерфейс (HMI) предоставляет графическое представление всего процесса, его развития и отклонений от ожидаемого поведения. Это обеспечивает четкое и точное представление оператору данных о состоянии процесса.
Они легко масштабируются и адаптируются по мере роста систем. Модульная и гибкая архитектура программного обеспечения SCADA позволяет адаптироваться к изменяющимся требованиям в развивающихся промышленных средах и эффективно реагировать на вызовы глобализированного рынка.
Они обеспечивают централизованное управление распределенными системами. Многие промышленные системы, такие как коммунальные сети (вода, электричество и т.д.), географически распределены на большие территории и традиционно требуют либо постоянного присутствия персонала на месте, либо периодических визитов специалистов по обслуживанию. Приложения SCADA позволяют осуществлять удаленный контроль полевого оборудования и доступ к информации системы из любого места через веб-браузер.
Типы программного обеспечения SCADA
Первое различие связано с типом программной платформы:
Речь идёт о специализированных платформах, состоящих из программного обеспечения, разработанного «под конкретную задачу» для контроля определённой машины или установки. Они могут разрабатываться тем же производителем, который поставляет саму контролируемую машину, либо сторонней компанией на основе требований, предоставленных заказчиком, например, для контроля установки. Хотя оператор обычно может изменять параметры конфигурации и рецепты производства, у этого типа программного обеспечения диспетчеризации есть принципиальное ограничение: оно не может расширяться или адаптироваться к иным условиям эксплуатации, не предусмотренным изначально.
Открытые платформы разработаны для обеспечения универсальности и предоставляют пользователю интегрированную среду разработки для создания SCADA-приложения, то есть все инструменты, необходимые для управления типовыми функциями SCADA-приложения (протоколы связи с полевыми устройствами, графические библиотеки для мнемосхем и т. д.). Программное обеспечение имеет двухуровневую структуру: первый уровень, общий для всех пользователей, — это платформа SCADA, а второй уровень, специфичный для конкретной машины или установки, — это SCADA-приложение, разработанное пользователем. Главное преимущество открытой платформы по сравнению с закрытой заключается в том, что она предоставляет пользователю полную свободу расширять или изменять проект.
Система SCADA может состоять из одного диспетчерского ПК, подключённого к полевым устройствам. Это наиболее распространённая, но не обязательно самая простая конфигурация. Такие системы могут контролировать несколько объектов, порой удалённых друг от друга или распределённых по обширным географическим территориям; сложность зависит также от числа управляемых переменных (от нескольких единиц до десятков тысяч), числа подключённых полевых устройств и используемых протоколов связи. Самый простой случай — один ПК, подключённый к одной машине, как правило через единственный ПЛК; такую конфигурацию называют SCADA-HMI.
Система SCADA может также состоять из нескольких взаимосвязанных ПК, которые могут взаимодействовать через локальные (LAN) или публичные (Интернет) сети, организованные в многоуровневую иерархию. Наиболее распространённая архитектура включает один центральный ПК, к которому подключены несколько ПК второго уровня; эти ПК второго уровня могут быть организованы по географическому принципу (каждый ПК отвечает за отдельную область) или по функциональному принципу (каждый ПК отвечает за отдельную задачу); центральный ПК обеспечивает доступ ко всем данным системы из единого места.
Наконец, третье различие касается требований реального времени:
Классические системы SCADA не имеют особых требований к реальному времени. Их основная задача по-прежнему заключается в сборе информации о процессе для предоставления обобщённой картины состояния, оперативного оповещения о возникновении аварий, регистрации всей информации и формирования отчётов для руководителей производства и качества. Передача данных на объект обычно ограничивается конфигурацией установки или отправкой рецептов; даже когда SCADA отвечает за управление процессом, задержки свыше одной секунды считаются допустимыми.
Другие SCADA-системы требуют более строгих ограничений реального времени. Такие системы обычно состоят из нескольких микроконтроллеров, подключенных к диспетчерскому ПК через локальную сеть, и основаны на детерминированной работе с временем отклика на уровне миллисекунд. В этих случаях точнее говорить о системах DCS, которые из-за высокой стоимости оправданы только на крупных объектах, требующих исключительной надежности, точности и безопасности.
Выбор программного обеспечения SCADA
Выбор программного обеспечения SCADA зависит от множества факторов, включая личные предпочтения, сложность приложения, требуемый функционал, доступный бюджет и ограничения, заданные заказчиком. Важным аспектом является также время обучения, которое увеличивается вместе со сложностью программного обеспечения. Использование более сложного по обычно оправдано в крупных и сложных промышленных системах, стоимость которых на порядки превышает стоимость даже самых дорогих SCADA-решений, делая затраты на лицензии и разработку менее значимыми. Для небольших и менее затратных систем чаще выбирают более простое и доступное программное обеспечение с меньшими требованиями к обучению. Предполагая, что проект представляет собой относительно простое решение с одним ПК, подключенным к нескольким устройствам и без строгих требований реального времени, необходимо учитывать следующие пункты:
Размер проекта: первым аспектом, который следует учитывать, является количество необходимых переменных (tag), которые должны быть переданы внешним устройствам. Выбор лицензии, время отклика системы и время разработки зависят от количества тегов.
Совместимость с полевыми устройствами: необходимо убедиться, что SCADA-программное обеспечение поддерживает все требуемые протоколы связи с полевыми устройствами; в качестве альтернативы на диспетчерском ПК может быть установлен совместимый OPC-сервер. OPC-сервер выступает посредником между SCADA-приложением и полевыми устройствами, предоставляя их данные через стандартный интерфейс OPC.
Интеграция с другим программным обеспечением: если приложению необходимо взаимодействовать с корпоративными системами, такими как MES или ERP, это следует проверить. Обычно это реализуется через протоколы OPC UA Client/Server.
Доступ через браузер: если требуется удалённый доступ к приложению через веб на настольных или мобильных устройствах, это необходимо проверить.
Совместимость с внешними СУБД: если приложению необходимо взаимодействовать с внешними базами данных (MySQL и т.д.) для регистрации данных или выполнения API-запросов (SELECT, INSERT, UPDATE и т.д.), это следует проверить.
Удалённое обслуживание: если приложение должно обеспечивать настройку удалённых устройств (ПЛК) без прямого сетевого доступа (например фиксированный IP или DNS), это необходимо проверить.
Выбор SCADA-программного обеспечения и лицензии должен всегда учитывать баланс между необходимым функционалом, затратами, а также временем разработки и обучения. Иногда наиболее мощное программное обеспечение не является лучшим решением, поскольку некоторые функции могут быть не нужны. Более простое решение может быть дешевле, надёжнее, менее сложным и более удобным в использовании. Быстрая и эффективная техническая поддержка является часто недооцениваемым фактором, который существенно влияет на конечный результат и должна учитываться.
SCADA, IoT и Индустрия 4.0
IoT (Internet of Things) и IIoT (Industrial Internet of Things) обозначают любую технологию, используемую для подключения объектов (датчиков, исполнительных механизмов, транспортных средств, модулей домашней автоматизации и т. д.) к интернету и отправки их данных в облако с помощью лёгких протоколов связи, таких как MQTT.
Чтобы соответствовать растущему спросу на облачные приложения, системы SCADA эволюционировали, интегрируя и расширяя возможности Промышленного интернета вещей. Сочетание этих двух технологий позволило сделать сбор данных промышленных процессов более быстрым, точным и даже более безопасным (кибербезопасность).
Благодаря своей архитектуре эти системы особенно подходят для:
удалённое обслуживание, удалённая диагностика и удалённое управление
мониторинг и управление рабочими условиями машин
мониторинг потребления энергии и воды и сокращение выбросов
контроль качества производственных систем и процессов
Эти системы реализуют ключевые сквозные технологии (Key Enabling Technologies – KET) Индустрии 4.0 (SCADA, IoT, облако, большие данные, кибербезопасность) и полностью соответствуют руководящим принципам итальянского Национального плана «Индустрия 4.0», введённого Законом о бюджете 2017 года.
Примеры применения SCADA
Разработка SCADA-приложений берёт начало в промышленной автоматизации как ответ на потребность в централизованных системах управления, обеспечивающих единый доступ ко всей информации о процессе, с особым вниманием к надёжности оборудования через управление авариями и поддержку обслуживания.
SCADA-приложения широко применяются в различных секторах промышленной автоматизации, таких как пластмассы, дерево, пищевая промышленность, керамика, текстиль и упаковка, поддерживая оптимизацию производства за счёт автоматизированных функций, включая контроль качества, соблюдение нормативов, мониторинг эффективности и отчётность.
Со временем системы SCADA вышли за рамки промышленной автоматизации и распространились на дистанционный мониторинг сетей коммунальных услуг (электричество, вода, железные дороги и т.д.), автоматизацию зданий и домашнюю автоматизацию.
Ниже приведён ряд примеров применения SCADA:
