Введение

Архитектура системы управления для надзора за машинами и процессами

SCADA (надзорный контроль и сбор данных) – это архитектура системы управления, состоящая из компьютеров, сетевых каналов передачи данных и графических пользовательских интерфейсов для высокоуровневого надзора за машинами и процессами. Она также включает в себя датчики и другие устройства, такие как программируемые логические контроллеры, которые взаимодействуют с технологическим оборудованием или машинами. Операторские интерфейсы, обеспечивающие мониторинг и выдачу команд управления процессом, например, изменение уставок контроллеров, обрабатываются посредством компьютерной системы SCADA. Подчиненные операции, такие как логика управления в реальном времени или вычисления контроллеров, выполняются сетевыми модулями, подключенными к полевым датчикам и исполнительным механизмам. Концепция SCADA была разработана как универсальный способ удаленного доступа к различным локальным модулям управления, которые могут быть произведены разными производителями и обеспечивать доступ через стандартные протоколы автоматизации. На практике крупные SCADA-системы стали функционально схожи с распределенными системами управления, используя множество способов взаимодействия с установкой. Они могут управлять масштабными процессами, охватывающими несколько объектов и работающими на больших расстояниях. Это один из наиболее распространенных типов промышленных систем управления.

Контрольные операции

Ключевым атрибутом системы SCADA является ее способность осуществлять надзорное управление разнородными устройствами других производителей. Уровень 0 включает полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры, а также конечные управляющие элементы, например, регулирующие клапаны. Уровень 1 содержит промышленные модули ввода/вывода (I/O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры. Уровень 2 включает в себя управляющие компьютеры, которые собирают информацию от процессорных узлов системы и предоставляют оператору экраны управления. Уровень 3 – это уровень управления производством, который не осуществляет непосредственного управления процессом, но занимается мониторингом производства и целевых показателей. Уровень 4 – это уровень планирования производства. Уровень 1 содержит программируемые логические контроллеры (ПЛК) или удаленные терминальные устройства (РТУ). Уровень 2 получает данные о показаниях и статусе оборудования, которые передаются на уровень 2 SCADA по запросу. Затем данные компилируются и форматируются таким образом, чтобы оператор диспетчерского пункта, используя интерфейс «человек-машина» (HMI), мог принимать решения о корректировке или переопределении штатных команд РТУ (ПЛК). Данные также могут передаваться в архив, часто построенный на базе стандартной системы управления базами данных, для отслеживания тенденций и проведения аналитического аудита. Системы SCADA обычно используют базу данных тегов, содержащую элементы данных, называемые тегами или точками, которые соответствуют конкретным измерительным приборам или исполнительным механизмам в технологической системе. Данные аккумулируются по этим уникальным идентификаторам оборудования для управления процессом.

Управление сигнализацией

Важной частью большинства SCADA-систем является обработка аварийных сигналов. Система контролирует, выполняются ли определенные условия возникновения аварийных сигналов, чтобы определить момент наступления аварийного события. После обнаружения аварийного события предпринимаются одно или несколько действий (например, активация одного или нескольких индикаторов аварийных сигналов и, возможно, отправка уведомлений по электронной почте или в виде текстовых сообщений, чтобы проинформировать руководство или удаленных операторов SCADA). Во многих случаях оператору SCADA необходимо подтвердить получение аварийного сигнала; это может деактивировать некоторые индикаторы, в то время как другие остаются активными до устранения условий, вызвавших сигнал. Условия возникновения аварийных сигналов могут быть явными – например, точка аварийного сигнала представляет собой дискретный вход, принимающий значения NORMAL (норма) или ALARM (авария), вычисляемые по формуле на основе значений других аналоговых и дискретных входов, – или неявными: SCADA-система может автоматически контролировать, выходит ли значение аналогового входа за установленные верхние и нижние предельные значения. Примеры индикаторов аварийных сигналов включают сирену, всплывающее окно на экране или цветную или мигающую область на экране (которая может работать аналогично индикатору низкого уровня топлива в автомобиле); в каждом случае задача индикатора – привлечь внимание оператора к проблемной части системы, чтобы можно было принять необходимые меры.

Программирование ПЛК/РТУ

"Умные" RTU, или стандартные ПЛК, способны автономно выполнять простые логические процессы без участия управляющего компьютера. Они используют стандартизированные языки программирования управления, такие как IEC 61131-3 (набор из пяти языков программирования, включающий функциональные блоки, языки релейных схем, структурированный текст, диаграммы последовательностей функций и списки инструкций), который часто применяется для создания программ, работающих на этих RTU и ПЛК. В отличие от процедурных языков, таких как C или FORTRAN, IEC 61131-3 требует минимальной подготовки благодаря сходству с историческими физическими схемами управления. Это позволяет инженерам систем SCADA самостоятельно выполнять проектирование и реализацию программ для RTU или ПЛК. Программируемый автоматизированный контроллер (PAC) – это компактный контроллер, объединяющий функциональность и возможности ПК-систем управления и традиционных ПЛК. PAC используются в системах SCADA для реализации функций RTU и ПЛК. Во многих приложениях SCADA на электрических подстанциях "распределенные RTU" используют информационные процессоры или станционные компьютеры для связи с цифровыми защитными реле, PAC и другими устройствами ввода/вывода, и взаимодействуют с главным компьютером SCADA вместо традиционных RTU.

Коммерческая интеграция ПЛК

Начиная примерно с 1998 года, практически все крупные производители ПЛК предлагают интегрированные системы HMI/SCADA, многие из которых используют открытые и нестандартные протоколы связи. На рынок также вышли многочисленные специализированные сторонние пакеты HMI/SCADA, обеспечивающие встроенную совместимость с большинством основных ПЛК, что позволяет инженерам-механикам, инженерам-электрикам и техникам самостоятельно конфигурировать HMI, без необходимости разработки специальной программы программистом. Удалённый терминальный блок (RTU) подключается к физическому оборудованию. Как правило, RTU преобразует электрические сигналы от оборудования в цифровые значения. Преобразуя и передавая эти электрические сигналы на оборудование, RTU может осуществлять управление оборудованием.

Инфраструктура и методы связи

Системы SCADA традиционно использовали комбинации радиосвязи и прямых проводных соединений, хотя SONET/SDH также часто применяется для крупных систем, таких как железные дороги и электростанции. Функция удаленного управления или мониторинга системы SCADA часто называется телеметрией. Некоторые пользователи хотят, чтобы данные SCADA передавались по их предварительно настроенным корпоративным сетям или совместно использовали сеть с другими приложениями. Однако наследие ранних протоколов с низкой пропускной способностью сохраняется. Протоколы SCADA разработаны для максимальной компактности. Многие из них предназначены для отправки информации только по запросу главной станции к RTU. Типичные протоколы SCADA включают Modbus RTU, RP 570, Profibus и Conitel. Эти протоколы связи, за исключением Modbus (Modbus был открыт компанией Schneider Electric), являются специфичными для каждого производителя SCADA, но широко распространены и используются. Стандартными протоколами являются IEC 60870-5-101 или 104, IEC 61850 и DNP3. Эти протоколы связи стандартизированы и признаны всеми основными производителями SCADA. Многие из этих протоколов теперь содержат расширения для работы через TCP/IP. Хотя использование общепринятых сетевых спецификаций, таких как TCP/IP, размывает грань между традиционными и промышленными сетями, они удовлетворяют принципиально различным требованиям. Сетевое моделирование может использоваться совместно с SCADA-симуляторами для проведения различных сценариев анализа "что, если". В связи с растущими требованиями к безопасности (такими как Североамериканская корпорация по надежности электроэнергетической системы (NERC) и защита критической инфраструктуры (CIP) в США) растет использование спутниковой связи. Это имеет ключевые преимущества: инфраструктура может быть автономной (не использовать каналы связи общедоступной телефонной сети), может быть встроена криптозащита и может быть спроектирована с учетом доступности и надежности, требуемых оператором системы SCADA. Предыдущий опыт использования VSAT потребительского класса был неудовлетворительным. Современные системы класса "carrier-class" обеспечивают качество обслуживания, необходимое для SCADA. RTU и другие автоматические контроллеры были разработаны до появления общеотраслевых стандартов для обеспечения совместимости. В результате разработчики и их руководство создали множество протоколов управления. Крупнейшие производители также были заинтересованы в создании собственных протоколов для удержания клиентской базы. Список протоколов автоматизации представлен здесь. Примером усилий групп производителей по стандартизации протоколов автоматизации является OPC UA (ранее "OLE для управления процессами", теперь Open Platform Communications Unified Architecture).

Применение

Как большие, так и маленькие системы могут быть созданы на основе концепции SCADA. Эти системы могут включать от нескольких десятков до тысяч контуров управления, в зависимости от области применения. Примеры процессов включают промышленные, инфраструктурные и процессы, связанные с объектами, как описано ниже: Промышленные процессы включают производство, управление технологическими процессами, генерацию электроэнергии, изготовление и переработку, и могут работать в непрерывном, периодическом, повторяющемся или дискретном режимах. Инфраструктурные процессы могут быть государственными или частными и включают очистку и распределение воды, сбор и очистку сточных вод, нефте- и газопроводы, передачу и распределение электроэнергии, а также ветропарки. Процессы, связанные с объектами, включают здания, аэропорты, суда и космические станции. Они осуществляют мониторинг и управление системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), контролем доступа и потреблением энергии. Однако системы SCADA могут иметь уязвимости в системе безопасности, поэтому необходимо оценивать системы для выявления рисков и внедрять решения для их снижения.