Systemy akwizycji danych i kontroli operacyjnej (systemy SCADA)

Termin System Kontroli Nadzoru i Akwizycji Danych lub system SCADA pojawił się pod koniec lat 80. XX wiek. równocześnie z pierwszymi próbami wykorzystania komputerów osobistych z zainstalowanymi na nich aplikacjami graficznymi jako konsolami operatorskimi.

Pierwsze systemy SCADA były tworzone dla systemów operacyjnych DOS lub Unix i miały raczej skromne możliwości, zarówno ze względu na ograniczenia sprzętowe, jak i graficzne możliwości systemów operacyjnych. Systemy SCADA rozpowszechniły się równocześnie z pojawieniem się interfejsów graficznych, takich jak Windows 3.11, X-Windows, Phantom oraz sprzętu pozwalającego osiągnąć niezbędną szybkość wykonywania procesów w trybach wielozadaniowości.

Powód pojawienia się systemów SCADA jako narzędzi programistycznych najwyższego poziomu jest podobny do powodów pojawienia się systemów takich jak Borland Delphi i innych wizualnych systemów programowania.Ich głównym zadaniem jest uwolnienie programistów od rutynowego i w istocie bezużytecznego ciężaru opisywania standardowych interfejsów i funkcji. Jednocześnie należy rozumieć, że korzystanie z systemów SCADA nie oznacza obniżenia wymagań dotyczących kwalifikacji dewelopera, jak próbują to sobie wyobrazić.

Rozróżnij systemy MMI (interfejs człowiek-maszyna) I SCADA, ponieważ oba z powodzeniem rozwijały się niezależnie od siebie, zajmując różne nisze na rynku urządzeń HMI (interfejs człowiek-maszyna).

Systemy MMI to tak naprawdę lokalne panele sterowania poszczególnymi urządzeniami lub instalacjami technologicznymi, wyposażone w alfanumeryczne ekrany i klawiatury lub graficzne, najczęściej dotykowe.

W większości przypadków urządzenie MMI realizowane jest za pomocą specjalnego kontrolera, a jego część programowa nie wiąże się z żadnymi dodatkowymi modyfikacjami ani zmianami.

Jednocześnie systemy SCADA obejmują wykorzystanie standardowych komputerów osobistych i systemów operacyjnych, służą do automatyzacji procesu zarządzania dużymi procesami technologicznymi, w które zaangażowana jest duża liczba urządzeń wykonawczych i jednostek technologicznych, a także wspierają możliwość wdrażanie aplikacji rozproszonych (z wykorzystaniem wielu konsol operatorskich)…

Niemożliwe jest wytyczenie wyraźnej granicy między systemami MMI i SCADA ze względu na istnienie kompleksowych systemów programowania, w których często nie ma rozróżnienia między narzędziami programistycznymi dla różnych poziomów systemu sterowania.

Brak jednego standardu opisującego przeznaczenie i skład funkcjonalny systemów SCADA oraz różnice w interpretacji samego terminu „SCADA” komplikują klasyfikację i porównanie systemów tej klasy.

Można wyróżnić następujące główne grupy systemów SCADA:

• Systemy SCADA opracowane przez producentów sterowników;

• Systemy SCADA opracowane przez niezależnych producentów;

• Systemy SCADA są składnikami kompleksowych systemów programowania.

Zadaniem producenta urządzeń sterujących przy tworzeniu własnego systemu SCADA jest dostarczenie użytkownikowi końcowemu narzędzia do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych z wykorzystaniem sterowników tego producenta.

Można wyróżnić następujące główne cechy takich systemów:

• interfejs tych systemów powtarza interfejs środków do pisania oprogramowania dla urządzeń sterujących;

• Elementy systemu SCADA są zoptymalizowane do pracy z danymi otrzymanymi z urządzeń sterujących określonego producenta;

• Interfejsy do wymiany danych ze sprzętem innych producentów są słabo zaimplementowane lub trudne w obsłudze.

Klasycznym przykładem takiego systemu jest Siemens WinCC… Stosowanie takich autorskich systemów z jednej strony minimalizuje koszt szkolenia specjalistów tworzących oprogramowanie, ale z drugiej strony ściśle wiąże zarówno programistę, jak i końcowego użytkownika systemu z konkretnym producentem lub nawet z konkretnym linia wyposażenia jednego producenta.

Ponadto wielu producentów urządzeń sterujących zostało zmuszonych do opracowania własnych systemów SCADA w celach marketingowych bez zapewnienia wymaganego poziomu wsparcia i konserwacji swoim oprogramowaniu.

Systemy SCADA innych firm to najbardziej elastyczne narzędzia do tworzenia aplikacji do wizualizacji procesów i sterowania. Do ich zalet należy obsługa dużej liczby funkcji do tworzenia zdecentralizowanych i rozproszonych systemów sterowania, a także możliwość integracji w jeden system urządzeń różnych, w tym konkurencyjnych producentów.

Do wymiany danych z urządzeniami wykonawczymi systemy takie wykorzystują programowe serwery I/O, które implementują interfejsy DDE lub OPC. Rozpowszechnienie się takich systemów SCADA, a także konieczność przestrzegania standardów narzędzi automatyki sprawiły, że wszyscy twórcy urządzeń sterujących posiadają własne Serwery oprogramowania OPC lub DDE, które dostarczane są w komplecie z wyposażeniem lub na zamówienie.

Ponieważ kompleksowy system programowania obejmuje zabudowę stacji operatorskich jako integralną część systemu sterowania, zawsze zawiera odrębne komponenty systemu SCADA. Ponieważ jednak cały system funkcjonuje jako całość, komponenty te mogą być również komponentami innych modułów systemu programowania typu end-to-end lub może nie być możliwe wydzielenie systemu SCADA w czystej postaci na produkt programowy.

Takie systemy mają te same wady i zalety co systemy SCADA opracowane przez producentów sterowników, z uwzględnieniem dwóch zasadniczych różnic:

• Systemy SCADA, które są integralną częścią systemów programowania typu end-to-end, nie mają praktycznie żadnej interoperacyjności z oprogramowaniem i sprzętem innych producentów;

• rola systemu SCADA w takich aplikacjach ogranicza się do opracowania interfejsu graficznego.

Skład i struktura systemów SCADA

Skład i struktura systemów SCADA

Zazwyczaj systemy SCADA składają się z dwóch oddzielnych zestawów oprogramowania: środowiska programistycznego i środowiska wykonawczego.

Środowisko deweloperskie nazywamy zestawem, za pomocą którego projektowane i konfigurowane jest środowisko do wizualizacji procesu technologicznego.

Otoczenie podczas pracy — jest to zestaw produktów oprogramowania, które są niezbędne do prac nad projektem programu do wizualizacji procesu technologicznego na stanowisku operatorskim.

Osobno należy rozważyć kwestię interakcji pomiędzy środowiskiem programistycznym a środowiskiem wykonawczym podczas pracy nad tym samym projektem dewelopera i operatora:

1. Zmiany wprowadzone przez dewelopera wchodzą w życie natychmiast.

2. Środowisko wykonawcze odzwierciedla zmiany wprowadzone w kodzie źródłowym projektu.

3. Zmiany są odzwierciedlane w czasie wykonywania po ponownym uruchomieniu lub wymuszeniu.

Implementacja pierwszego typu interakcji umożliwia dość jasne i efektywne zademonstrowanie możliwości produktu w prezentacjach komercyjnych, dlatego czasami jest on implementowany w końcowych produktach programistycznych. Jednak podczas pracy z prawdziwymi projektami istnieje potencjalne niebezpieczeństwo utraty części interfejsu graficznego lub dynamicznego poruszania się elementów sterujących. Pod tym względem najbardziej rozpowszechnione są drugi i trzeci rodzaj interakcji lub ich kombinacja.

Można wyróżnić następujące główne części systemu SCADA:

• podstawa znacznika;

• moduł wyświetlacza graficznego;

• procesor skryptów;

• system alarmowy i ostrzegawczy;

• moduł do archiwizacji parametrów procesu technologicznego.

Znacznik systemowy SCADA Jest obiektem do przechowywania wartości parametru procesu technologicznego i jego właściwości. Etykiety są czasami błędnie nazywane „zmiennymi”. Jednocześnie pojęcie etykiety jest najbliższe definicji klasy w obiektowych językach programowania.

Moduł wyświetlacza graficznego implementuje graficzny interfejs projektu. Z reguły interfejs graficzny to zestaw formularzy ekranowych z umieszczonymi na nich elementami graficznymi. Zadanie tworzenia ekranu sprowadza się do umieszczenia elementów graficznych na kształtach ekranu i ustawienia ich właściwości.

W procesie wywoływania, wyświetlania i zamykania formularzy ekranowych, podczas klikania na obiekty graficzne, zmiany właściwości lub wartości poszczególnych tagów, konieczne jest wykonanie obliczeń lub akcji, dla których istnieją silnik skryptowy… Skrypty są również nazywane „makrami” lub „skryptami” w niektórych systemach.

Większość skryptów systemu SCADA, które implementują interfejs graficzny zautomatyzowanych stanowisk operatorskich, to programy obsługi kliknięć myszką na elementach graficznych.

W przypadku skryptów systemy SCADA różnych producentów oferują jeden lub więcej języków. Systemy opracowywane przez producentów sterowników lub w ramach systemów programowania typu end-to-end zazwyczaj oferują te same języki programowania do skryptowania, jak i do pisania oprogramowanie kontrolera… Systemy SCADA innych firm często oferują wyspecjalizowane języki skryptów makr.

Używanie języków programowania ogólnego przeznaczenia pozwala na implementację złożonych interfejsów użytkownika i niestandardowych metod pracy z danymi poprzez dostęp do dodatkowych bibliotek i API.

Jednocześnie programista musi w każdym przypadku przestudiować biblioteki funkcji do pracy z komponentami systemu SCADA, w taki sam sposób, w jaki badane są języki makr, a zaimplementowany kod może być potencjalnie niebezpieczny lub odziedziczyć błędy z funkcji innej firmy biblioteki .

System alarmowy ma na celu powiadomienie operatora o wartości parametru procesu poza dopuszczalnymi granicami. Z reguły dla każdego parametru technologicznego można ustawić 2 rodzaje ustawień, według których pojawi się powiadomienie: odpowiednio ustawienia awaryjne i ostrzegawcze.

W zależności od możliwości systemu ustawienia te są ustawiane według jednego lub kilku kryteriów:

• Poza zakresem. W tym przypadku występują: górne i dolne wartości ostrzegawcze oraz górne i dolne wartości alarmowe.

• Odchylenie od wartości nominalnej pewnej wartości. Rozłóż minimalne i maksymalne dopuszczalne odchylenia od ustawionej wartości.

• Ustawienie maksymalnej dopuszczalnej szybkości zmian wartości parametru procesu. Wartości dopuszczalnych nastaw zakresów podane są w jednostkach bezwzględnych, a odchylenie od wartości nominalnej i szybkości zmian można podać zarówno w jednostkach bezwzględnych, jak i jako procent wartości bieżącej lub zadanej.

Ze względu na to, że dla jednego procesu technologicznego liczba parametrów, dla których ustawiane są nastawy awaryjne i ostrzegawcze może być duża, w systemach SCADA możliwe jest łączenie parametrów sterowanych technologicznie w grupy, a także ustalanie poziomu priorytetu dla dowolnych ustawić punkt.

Główne zadanie moduł zapasowy — zapewnienie możliwości wyświetlania wykresów parametrów technologicznych (Trendów) na ekranie monitora przez stosunkowo krótki okres, a także budowanie prostych raportów.Moduł do archiwizacji wartości systemu SCADA powinien zapewniać następujące funkcje:

• archiwizacja wartości w lokalnej bazie danych z określoną częstotliwością lub zmianą;

• przy archiwizacji wartości po zmianie — możliwość ustawienia martwej strefy dla archiwizacji;

• ustawić limit rozmiaru lokalnej bazy danych;

• ustawianie czasu przechowywania wartości;

• przeprowadzać rutynową konserwację w celu usunięcia nieaktualnych lub najwcześniejszych wartości w przypadku przekroczenia czasu przechowywania lub rozmiaru bazy danych w trybie automatycznym;

• dostępność interfejsu do budowania wykresów wartości archiwalnych i ich przeglądania;

• dostępność systemu eksportu wartości parametrów za zadany okres w postaci tabeli wartości.