Кіріспе

Машиналар мен процестерді қадағалау үшін басқару жүйесінің архитектурасы.

SCADA (бақылау және деректерді жинау) – машиналар мен процестерді жоғары деңгейде қадағалау үшін компьютерлерді, желілік деректерді беруді және графикалық пайдаланушы интерфейстерін қамтитын басқару жүйесінің архитектурасы. Ол сонымен қатар процестік жабдықтармен немесе машиналармен байланысатын сенсорлар және басқа да құрылғыларды, мысалы, бағдарламаланатын логикалық контроллерлерді де қамтиды. Операторларға бақылау жасауға және контроллердің баптау мәнін өзгерту сияқты процесс командаларын беруге мүмкіндік беретін интерфейстер SCADA компьютерлік жүйесі арқылы жүзеге асырылады. Нақты уақытты басқару логикасы немесе контроллер есептеулері сияқты бағынышты операциялар, өрістік сенсорлар мен атқарушы механизмдерге қосылған желілік модульдер арқылы орындалады. SCADA тұжырымдамасы әртүрлі өндірушілерден шыққан әртүрлі жергілікті басқару модульдеріне қашықтан қол жеткізудің әмбебап құралы ретінде әзірленді және стандартты автоматтандыру протоколдары арқылы қол жеткізуге мүмкіндік береді. Іс жүзінде, ірі SCADA жүйелері функционалдық тұрғыдан таратылған басқару жүйелеріне ұқсас болып дамыды, бірақ зауытпен байланысу үшін бірнеше тәсілдерді қолданады. Олар бірнеше нысанда орналасқан және үлкен қашықтықтарда жұмыс істейтін кең ауқымды процестерді басқара алады. Бұл өнеркәсіптік басқару жүйелерінің ең көп қолданылатын түрлерінің бірі болып табылады.

Бақылау операциялары

SCADA жүйесінің негізгі ерекшелігі – оның әртүрлі меншік құрылғыларға қатысты бақылау операцияларын орындау қабілеті. 0-деңгейде ағын және температура датчиктері сияқты далалық құрылғылар, сондай-ақ басқару клапандары сияқты соңғы басқару элементтері орналасқан. 1-деңгейге индустрияландырылған кіріс/шығыс (I/O) модульдері мен олармен байланысты таратылған электрондық процессорлар кіреді. 2-деңгейде бақылау компьютерлері бар, олар жүйедегі процессорлық түйіндерден ақпаратты жинап, операторларға басқару экранын ұсынады. 3-деңгей – өндіріс бақылау деңгейі, ол процесті тікелей бақыламайды, бірақ өндіріс пен мақсаттарды мониторингпен айналысады. 4-деңгей – өндіріс жоспарлау деңгейі. 1-деңгейде бағдарламаланатын логикалық контроллерлер (PLC) немесе қашықтан терминал бірліктері (RTU) орналасқан. 2-деңгей SCADA-дан алынған өлшемдер мен жабдықтың жай-күйі туралы есептерді қамтиды, олар қажеттілікке қарай 2-деңгей SCADA-ға жіберіледі. Содан кейін деректер жиналып, форматталады, нәтижесінде басқару бөлмесінің операторы HMI (Адам-машина интерфейсі) арқылы бақылау шешімдерін қабылдап, немесе қалыпты RTU (PLC) басқаруын тоқтатуға мүмкіндік алады. Деректер сонымен қатар трендтерді және басқа да талдаулық аудиттерді жүргізуге мүмкіндік беретін, көбінесе стандарттық деректер базасын басқару жүйесіне негізделген деректер жинағышқа (historian) жіберілуі мүмкін. SCADA жүйелері әдетте тегтер немесе нүктелер деп аталатын дерек элементтерін қамтитын тегтер деректер базасын пайдаланады, олар процестік жүйедегі нақты құралдарға немесе атқарушы механизмдерге қатысты. Деректер осы ерекше процесті басқару жабдықтарының тегтеріне сәйкес жинақталады.

Дабылды басқару

SCADA жүйелерін іске асырудың маңызды бөлігі – дабылдарды басқару. Жүйе белгілі бір дабыл жағдайларының орындалуын қадағалап, дабыл оқиғасының қашан болғанын анықтайды. Дабыл оқиғасы анықталғаннан кейін бір немесе бірнеше әрекеттер орындалады (мысалы, бір немесе бірнеше дабыл индикаторларын қосу, сондай-ақ басқарушыларға немесе қашықтан жұмыс істейтін SCADA операторларына хабарлау үшін электрондық пошта немесе SMS хабарламаларын жолдау). Көп жағдайда SCADA операторы дабыл оқиғасын растауы қажет болуы мүмкін; бұл кейбір дабыл индикаторларын деактивациялауы мүмкін, ал қалғандары дабыл жағдайлары жойылғанға дейін активті күйде қалады. Дабыл жағдайлары нақты – мысалы, дабыл нүктесі басқа аналогтық және цифрлық нүктелердегі мәндерге негізделген формуламен есептелетін NORMAL немесе ALARM мәніне ие цифрлық күй нүктесі болуы мүмкін, немесе жасырын болуы мүмкін: SCADA жүйесі аналогтық нүктедегі мән сол нүктеге сәйкес жоғары және төменгі шектерден тысқа шығып кеткенін автоматты түрде бақылай алады. Дабыл индикаторларының мысалдарына сирена, экрандағы ашылатын хабарлама немесе экрандағы түрлі түсті немесе жыпылықтайтын аймақ (автомобильдегі «жанармай багы толық емес» шамшағы сияқты әрекет ете алады) жатады; әрбір жағдайда дабыл индикаторының міндеті – оператордың назарын жүйенің «дабыл күйіндегі» бөлігіне аудару, соның арқасында тиісті шаралар қолданылуы мүмкін.

PLC/RTU бағдарламалау

"Ақылды" RTU немесе стандартты PLC бақылау компьютерінің қатысуынсыз қарапайым логикалық процестерді дербес орындай алады. Олар IEC 61131 3 сияқты стандартталған басқару бағдарламалау тілдерін қолданады (функционалдық блок, саты, құрылымдық мәтін, реттік функциялар диаграммасы және нұсқаулар тізімі кіретін бес бағдарламалау тілінің жиынтығы), осы RTU және PLC-лерде жұмыс істейтін бағдарламаларды жасау үшін көбінесе қолданылады. C немесе FORTRAN сияқты процедуралық тілдерден өзгеше, IEC 61131 3 тарихи физикалық басқару тізбектеріне ұқсас болғандықтан, минималды оқытуды қажет етеді. Бұл SCADA жүйесі инженерлеріне RTU немесе PLC-де орындалатын бағдарламаны жобалауға және іске асыруға мүмкіндік береді. Бағдарламаланатын автоматтандыру контроллері (ПАК) – бұл ПК-ға негізделген басқару жүйесінің мүмкіндіктерін және ерекшеліктерін, стандартты PLC мүмкіндіктерімен біріктіретін ықшам контроллер. ПАК-тер SCADA жүйелерінде RTU және PLC функцияларын қамтамасыз ету үшін қолданылады. Көптеген электрлік қосалқы станциялардың SCADA қолданбаларында "таратылған RTU" ақпараттық процессорларды немесе станциялық компьютерлерді цифрлық қорғаныш релелерімен, ПАК-термен және басқа да I/O құрылғыларымен байланыс үшін пайдаланады, сондай-ақ дәстүрлі RTU орнына SCADA бас станциясымен байланыс жасайды.

PLC коммерциялық интеграциясы

1998 жылдан бері дерлік барлық ірі PLC өндірушілері интеграцияланған HMI/SCADA жүйелерін ұсынады, олардың көпшілігі ашық және жеке меншік емес байланыс протоколдарын пайдаланады. Көптеген үшінші тараптың HMI/SCADA бағдарламалық пакеттері, ірі PLC-лердің көпшілігімен үйлесімділікпен жасалған, сондай-ақ нарыққа енді, бұл механикалық инженерлерге, электр инженерлеріне және техниктерге бағдарламашы жазған арнайы бағдарламасыз HMI-ді өздері конфигурациялауға мүмкіндік береді. Қашықтан басқару терминалы (RTU) физикалық жабдыққа қосылады. Әдетте, RTU жабдықтан түсетін электр сигналдарын цифрлық мәндерге түрлендіреді. Осы электр сигналдарын түрлендіріп, жабдыққа жіберу арқылы RTU жабдықты басқара алады.

Байланыс инфрақұрылымы мен әдістері

SCADA жүйелері дәстүрлі түрде радио және тікелей сымдық байланыстарды қолданып келген, бірақ SONET/SDH үлкен жүйелерде, мысалы, теміржолдар мен электр станцияларында да жиі пайдаланылады. SCADA жүйесінің қашықтан басқару немесе мониторинг функциясы көбінесе телеметрия деп аталады. Кейбір пайдаланушылар SCADA деректерінің бұрыннан құрылған корпоративтік желілер арқылы жіберілуін немесе желіні басқа қолданбалармен бөлісуін қалайды. Дегенмен, ерте замандағы төмен өткізу қабілеті бар протоколдардың әсері әлі де сезіледі. SCADA протоколдары өте ықшам болу үшін жасалған. Көптеген протоколдар ақпаратты тек бас станция сұраған кезде ғана жіберуге бағытталған. Типик SCADA протоколдарына Modbus RTU, RP 570, Profibus және Conitel кіреді. Бұл байланыс протоколдарының барлығы, Modbus-тан басқа (Modbus-ты Schneider Electric ашыққа шығарды), SCADA өндірушілеріне тән, бірақ кеңінен қабылданып, қолданылады. Стандартты протоколдар IEC 60870 5 101 немесе 104, IEC 61850 және DNP3 болып табылады. Бұл байланыс протоколдары стандартталған және барлық ірі SCADA өндірушілері тарапынан мойындалған. Осы протоколдардың көптегені қазір TCP/IP арқылы жұмыс істеуге мүмкіндік беретін кеңейтулерді қамтиды. TCP/IP сияқты дәстүрлі желілік ережелерді қолдану дәстүрлі және өнеркәсіптік желілер арасындағы шекараны бұлайды, бірақ олардың әрқайсысы түбірінен өзгеше талаптарды қанағаттандырады. Желілік модельдеуді SCADA симуляторларымен бірге қолданып, түрлі «не болса» талдауларын жүргізуге болады. Қауіпсіздік талаптарының күшеюімен (мысалы, Солтүстік Америка Электр Сенімділігі Корпорациясы (NERC) және АҚШ-тағы маңызды инфрақұрылымды қорғау (CIP) сияқты), спутниктік байланыстың қолданылуы артып келеді. Бұл инфрақұрылымның өзіндік ерекшеліктеріне ие, атап айтқанда, жалпы телефон желісінен схемаларды пайдаланбайды, құрастырылған шифрлау мүмкіндігіне және SCADA жүйесі операторының қажетті қолжетімділігі мен сенімділігіне сәйкес келуге болады. Бұрынғы тәжірибеде тұтынушылық деңгейдегі VSAT қолдануының нәтижелері жақсы болмады. Заманауи операторлық деңгейдегі жүйелер SCADA үшін қажетті қызмет сапасын қамтамасыз етеді. RTU және басқа автоматты басқару құрылғылары салалық стандарттар пайда болғанға дейін әзірленді. Осының салдарынан, әзірлеушілер мен олардың басшылары көптеген басқару протоколдарының жасалуына себеп болды. Ірі сатушылар арасында өз клиенттік базасын «байлап қою» үшін жеке протоколдарды жасауға ынталандыру болды. Автоматтандыру протоколдарының тізімі осы жерде жинақталған. Автоматтандыру протоколдарын стандарттауға бағытталған сатушылар топтарының күш-жігерінің мысалы – OPC UA (бұрынғы «процесс бақылауы үшін OLE», қазір Open Platform Communications Unified Architecture).

Қолданылуы

SCADA тұжырымдамасын қолдана отырып, үлкен де, кіші де жүйелерді құруға болады. Мұндай жүйелер қолданылуына қарай ондағаннан мыңдаған басқару тізбектерін қамтуы мүмкін. Мысалға, өндірістік, инфрақұрылымдық және нысанға негізделген процестерді келтіруге болады: Өндірістік процестерге өндіріс, процестерді басқару, қуат өндіру, құрастыру және тазарту кіреді, олар үздіксіз, партиялық, қайталамалы немесе дискретті режимдерде жұмыс істей алады. Инфрақұрылымдық процестер мемлекеттік немесе жекеменшік болуы мүмкін, оларға суды тазарту және тарату, сарғыш суды жинау және тазарту, мұнай және газ құбырлары, электр қуатын беру және тарату, жел электр станциялары кіреді. Ғимараттар, әуежайлар, кемелер және ғарыш станциялары сияқты нысандық процестер. Олар жылумен жабдықтау, желдету және кондиционерлеу жүйелерін (ЖЖКЖ), кіруді және энергия тұтынуды бақылап, басқарады. Дегенмен, SCADA жүйелерінде қауіпсіздікке қатысты осал тұстар болуы мүмкін, сондықтан жүйелерді қауіптерді анықтау үшін бағалау қажет, сондай-ақ осы қауіптерді азайту үшін тиісті шешімдерді енгізу қажет.