книги / SCADA-╤Б╨╕╤Б╤В╨╡╨╝╤Л ╨║╨░╨║ ╨╕╨╜╤Б╤В╤А╤Г╨╝╨╡╨╜╤В ╨┐╤А╨╛╨╡╨║╤В╨╕╤А╨╛╨▓╨░╨╜╨╕╤П ╨Р╨б╨г ╨в╨Я

Московский государственный технический университет

им. Н.Э. Баумана

Н.П. Деменков

SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2004

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные методы управления производственными процес­ сами на основе компьютерных технологий получили широкое рас­ пространение на большинстве промышленных предприятий.

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data Acquisition) — являются в настоящее время основными методами автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. На принципах диспетчерского управления строятся

крупные автоматизированные системы в промышленности и энер­ гетике, на транспорте, в военной и космической промышленности, в различных государственных структурах и частных компаниях.

Традиционная концепция создания систем управления произ­ водственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, ана­ лиза свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными ка­ чествами управленческого персонала.

Однако практика эксплуатации сложных производственных систем показывает, что ограниченная формализация основопола­ гающих этапов проектирования АСУ ТП может привести к невоз­ можности достижения поставленных целей, к получению резуль­ татов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями, методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального (оптимального) управления в изменив­ шихся условиях. От качественного сопровождения программного обеспечения (ПО) для автоматизации ТП во многом зависит не только производительность и безаварийность работы технологиче­ ских агрегатов, но и жизненней цикл'спроектированной и сданной

впромышленную эксплуатацию АСУ ТП.

Внастоящее время в практике проектирования АСУ ТП появи­ лись так называемые «коробочные» решения в области проектиро­

3

вания АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня (уровень SCADA-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - MES- и ERP-систем). Однако применение SCADA-систем (особенно для разработчиков проектов) — это огромный набор тех­ нологий.

Внастоящем издании рассматриваются вопросы, связанные с использованием SCADA-систем (систем сбора данных и опера­ тивного диспетчерского управления) как инструмента проектиро­ вания верхнего уровня АСУ ТП.

Вимеющейся на сегодняшний день литературе по SCADAсистемам в большей степени уделено внимание уже ставшему тра­ диционным набору свойств и характеристик SCADA-систем, но значительно меньше внимания уделено появившимся новым ин­ формационным технологиям для связи SCADA-систем с другими составляющими АСУ ТП, в частности ОРС-серверам, расширени­ ям реального времени для Windows NT, Internet- и GSMтехнологиям, а также проблемам, связанным со сравнительным анализом и выбором SCADA-систем.

Основная цель работы заключается в рассмотрении теоретиче­ ских основ, моделей и методов формализации этапов проектиро­ вания АСУ ТП на примере SCADA-систем - систем сбора данных

иоперативного диспетчерского управления для формирования единой методологии разработки АСУ ТП с помощью современных вычислительных средств.

Средством достижения поставленной цели является теоретиче­ ское обобщение существующих в этой области локальных резуль­ татов и разработка новых подходов к формализации основных этапов проектирования АСУ ТП.

Толчком к появлению работы послужила отечественная SCADA-система Трейс Моуд (Trace Mode) компании Adastra, опыт работы с которой накоплен в учебно-научном центре «Интеллек­ туальные системы» при МГТУ им. Н.Э. Баумана с 1994 г. Трейс Моуд создана в 1992 г. и благодаря универсальности, высокой производительности, поддержке российских контроллеров и гиб­

кой ценовой политике завоевала популярность в странах СНГ. К настоящему времени она имеет свыше 15 000 инсталляций, 1500 драйверов, встроенных практически ко всем отечественным и за­ рубежным промышленным контроллерам, отличается использова­

4

Глава 1. СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ И ОПЕРАТИВНОГО

ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Развитие отечественных компьютерных систем промышленной автоматизации (автоматизированных систем управления техноло­ гическими процессами - АСУ ТП) можно подразделить на три ос­ новных этапа.

Первый этап создания АСУ ТП связан с использованием ЭВМ первого поколения, таких как «Урал», «УМ-1», «Минск».

На втором этапе применялись аналоги мэйнфреймов IBM (ЕС ЭВМ), клоны мини-компьютеров фирмы DEC (СМ ЭВМ).

Системы управления на этих этапах имели централизованную структуру, в большинстве случаев не обеспечивали достаточного быстродействия и работы в режиме реального времени. Компью­ теры того времени из-за несовершенства элементной базы и про­ граммного обеспечения характеризовались низкой надежностью, что приводило к частым сбоям.

Появление микропроцессоров, которые стали входить в состав отдельных средств автоматики и контроля, открыло третий этап компьютеризации промышленного производства. Цифровая пере­ дача данных между отдельными устройствами сделала вычисли­ тельную сеть основой построения систем управления. Системы управления технологическим процессом новой структуры, преду­ сматривающей цифровую связь между отдельными устройствами обработки данных, получили название децентрализованных, или распределенных, АСУ ТП.

С начала 80-х годов XX столетия ведущие мировые производи­ тели средств автоматизации начали выпускать наборы программ­ но-аппаратных средств для построения АСУ ТП (программно­ технические комплексы — ПТК). Основными признаками таких наборов являются их совместимость, способность функциониро­ вать в единой системе, стандартизация интерфейсов, функцио­ нальная полнота, позволяющая строить целиком АСУ ТП из средств только данного набора.

В начале 90-х годов прошлого века в мире произошел резкий качественный скачок в развитии систем управления, а также были

6

Это позволяет большое число 2-, 3-, 4-проводных линий связи, идущих от множества датчиков и исполнительных механизмов к каналам ввода-вывода контроллеров, заменить на один «малопро­ водной» кабель. К приборам первого уровня по этому кабелю мо­ жет передаваться также и электропитание. Все это дает серьезный выигрыш в стоимости. Кроме того, каждое устройство этого уров­ ня оснащается самостоятельным вычислительным ресурсом и мо­ жет выполнять функции управления, самонастройки и самодиаг­ ностики, что упрощает обслуживание контрольно-измерительных приборов (КИП), снижает нагрузку на управляющие вычислитель­ ные устройства верхних уровней, делает систему более распреде­ ленной.

В настоящее время отсутствует единый международный стандарт для сетей Fieldbus. Наиболее популярными являются протоколы обмена Profibus DP, Foundation Fieldbus и Interbus. В качестве протокола для сетей на основе простого последователь­ ного порта общепризнан открытый протокол Modbus, разработан­ ный фирмой Modicon (США) в 1979 г. В марте 1998 г. компания Schneider Electric (Франция) продемонстрировала использование сети Ethernet на уровне сетей Fieldbus [2].

На втором уровне находятся устройства связи с объектом (УСО), принимающие и выдающие на объект группу аналоговых и дискретных сигналов и связанные через различные адаптеры с Fieldbus, программируемыми логическими контроллерами (ПЛК, или PLC) и индустриальными компьютерами (ИК). Устройства второго уровня являются безынициативными, работают под управлением ПЛК или ИК и располагаются вблизи с объектом управления. За счет использования этих УСО снижаются затраты на монтаж и кабельную связь.

На третьем уровне находятся промышленные ПЛК (Ремиконт, Modicon и др.) и SoftPLC (микроРС и др.). Контроллеры типа SoftPLC (свободно программируемые контроллеры) имеют IBM PC совместимую архитектуру. Для программирования PLC и SoftPLC Международный электротехнический комитет (МЭК, или IEC) принял стандарт IEC-61131/3, который описывает пять язы­ ков программирования: язык лестничных диаграмм или релейно­ контактных схем (LD - Ladder Diagram); язык инструкций (IL - Instruction List); язык функциональных блоковых схем (FBD -

8

Function Block Diagram); язык последовательных функциональных блоков (SFC - Sequential Function Chart); язык структурированного текста (ST - Structured Text). Связь между контроллерами и стан­ циями управления верхнего уровня осуществляется по сети Ethernet, выполненной в промышленном варианте (Industrial Ethernet).

На рынке промышленной автоматизации все большим спросом пользуются встраиваемые в персональные компьютеры (ПК) мо­ дули, позволяющие непосредственно к компьютеру подключать датчики и исполнительные механизмы. Это направление получило название PC-based Control (управление на базе ПК).

Промышленные компьютеры представляют собой, как прави­ ло, программно-совместимые с обычными ПК машины, адаптиро­ ванные для жестких условий эксплуатации - для установки на производстве, в цехах, на газокомпрессорных станциях и т. д. В качестве устройств сопряжения с объектом управления они ком­ плектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения. Для объектов управления, имеющих небольшое число входоввыходов, невысокие требования по надежности и по обеспечению режима реального времени, подход PC-based Control с экономиче­ ской точки зрения предпочтителен, так как уменьшаются затраты на аппаратные средства [1].

На четвертом уровне располагаются станции в виде IBM PC совместимых промышленных компьютеров, которые обеспечива­ ют диспетчеризацию технологического процесса и реализуют принцип безщитовой автоматики. Основу ПО этого уровня состав­ ляет SCADA-программа, состоящая из инструментального и ис­ полнительного комплекса. Инструментальный комплекс предна­ значен для разработки конкретного ПО автоматизированных рабочих мест (АРМ) технолога, оператора, диспетчера и др. Ис­ полнительный комплекс реализует разработанное ПО в опреде­ ленной операционной среде.

Доминирующей операционной системой для АСУ ТП верхнего уровня является Windows NT. Стандартным механизмом взаимо­ действия программного обеспечения АСУ ТП признан стандарт ОРС (Ole for Process Control), который основан на объектной мо­ дели COM/DCOM фирмы Microsoft (США).

9

Современная АСУ ТП обязательно должна предусматривать также информационную связь с корпоративными системами управления предприятием - уровнем АСУП (в современной тер­ минологии ERP-системы (Enterprise Resource Planning) - планиро­ вание ресурсов предприятия или MRP-системы (Manufacturing Re­ source Planning) - планирование ресурсов производства). Системы ERP ориентированы на предприятие в целом, a MRP - на его тех­ нологические подразделения.

В интегрированных системах управления предприятием между системами SCADA и ERP присутствует промежуточная группа систем, называемая MES (Manufacturing Execution Systems). Эта группа возникла вследствие обособления задач, не относящихся к ранее определенным группам SCADA и ERP. К системам MES принято относить приложения, отвечающие:

за управление производственными и людскими ресурсами в рамках технологического процесса;

за планирование и контроль последовательности операций тех­ нологического процесса;

за управление качеством продукции; за хранение исходных материалов и произведенной продукции

по технологическим подразделениям; за техническое обслуживание производственного оборудования; за связь систем SCADA и ERP.

Одна из причин возникновения таких систем - попытка выде­ лить задачи управления производством на уровне технологическо­ го подразделения. Но очень быстро выявились недостатки разде­ ления задач планирования и управления производством на два уровня. Опыт показал, что информационная база этих задач долж­ на быть единой. Использование клиент-серверной технологии по­ зволяет разделить клиентские части задач управления и планиро­ вания производства на два уровня: предприятия и цеха. В этом случае можно использовать общие серверы базы данных и прило­ жений, а клиентские места распределить по цехам и заводоуправ­ лению.

Другая причина появления систем MES - это отделение в АСУ ТП тактических задач оперативного управления технологи­ ческими процессами от стратегических задач ведения процесса в целом. В частности, в химической, металлургической, пищевой,

10