Анализ существующих автоматизированных систем управления технологическим процессом

А втоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – это целостное решение технических и программных средств, которые предназначены для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. АСУ ТП обеспечивает автоматизацию основных операций технологического процесса на объекте в целом или какой-то его части.

АСУ ТП создается как распределенная интегрированная система с обеспечением конструктивной, функциональной и интерфейсной независимости ее подсистем, что обеспечивает сохранение функций отдельных подсистем и их элементов при отказах в АСУ ТП, в том числе на отдельных уровнях ее иерархии.

АСУ ТП получили широкое распространение в различных областях человеческой деятельности. Ими могут быть оборудованы как частные дома, рестораны, магазины, так и стратегические объекты государственной важности, такие как аэропорты, транспортные узлы, АЭС и другие опасные производства.

В данной статье приводится обзор существующих АСУ ТП.

Обзор существующих АСУ ТП

CitectSCADA

CitectSCADA [1] (SCADA, supervisory control and data acquisition – диспетчерское управление и сбор данных) – программный продукт, представля- ющий собой полнофункциональную систему мониторинга, управления и сбора данных, которая позволяет обеспечить:

• ♦    визуализацию процесса в графическом режиме;

• ♦    «продвинутое» управление аларма-ми;

• ♦    отслеживание трендов в реальном времени и доступ к архивным трендам;

• ♦    подготовку детализированных отчетов;

• ♦    статический контроль процесса;

• ♦    многопотоковое выполнение программ, разработанных на CitectVBA [2] и CiCode [3].

CitectSCADA построена на базе мультизадачного ядра реального времени, что обеспечивает производительность сбо- ра до 5000 значений в секунду при работе в сетевом режиме с несколькими станциями. Модульная клиент-серверная архитектура позволяет одинаково эффективно применять CitectSCADA как в малых проектах с использованием только одного автоматизированного рабочего места (АРМ), так и в больших с распределением задач на несколько компьютеров.

В CitectSCADA резервирование является встроенным и легко конфигурируемым. Резервирование позволяет защищать все зоны потенциальных отказов как функциональных модулей (серверов и клиентов), так и сетевых соединений между узлами и устройствами ввода/вывода.

CitectSCADA имеет встроенный язык программирования CiCode, а также поддержку VBA (Visual Basic for Applications – упрощенная реализация языка Visual Basic). CitectSCADA работает как 32-разрядное приложение Windows 9x/NT/2000/XP/2003/ Vista/7. Сбор данных, формирование алармов и построение трендов происходит одновременно с редактированием и компиляцией.

Cimplicity

Cimplicity HMI [4] – это решение по визуализации и управлению на базе архитектуры клиент-сервер, обеспечивающее визуализацию операций, автоматизированный контроль и предоставление надежной информации для аналитических приложений более высокого уровня.

Основными особенностями Cimplicity являются:

• ♦    поддержка до 100 серверов в архитектуре;

• ♦    архивирование;

• ♦    открытость архитектуры позволяет программному обеспечению CIMPLICITY легко взаимодействовать с другими системами на всех уровнях управления;

• ♦    разделение задач на высокоприоритетные и низкоприоритетные;

• ♦    разнообразие собственных драйверов и связь с устройствами OPC (Object Linking and Embedding for Process Control – семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами);

• ♦    возможность легко масштабировать систему;

• ♦    интеграция с ERP (Enterprise Resource Planning – планирование ресурсов предприятия) и другими внешними системами;

• ♦    возможность разделения пользователей по ролям и доступным ресурсам;

• ♦    возможность воспроизведения заархивированных событий с помощью средства Digital Graphical Replay;

• ♦    сигнализация в режиме реального времени и в записи.

Master SCADA

Master SCADA [5] – программный пакет для проектирования систем диспетчерского управления и сбора данных. Основными свойствами являются модульность, масштабируемость и объектный подход к разработке. Система предназначена для сбора, архивирования, отображения данных, а также для управления различными технологическими процессами. Помимо создания так называемого верхнего уровня, система позволяет программировать контроллеры с открытой архитектурой. Таким образом, Master SCADA позволяет создавать единый комплексный проект автоматизации (SCADA-система и ПЛК (программируемый логический контроллер)). Вся система, включая все компьютеры и контроллеры, конфигурируется в едином проекте, в результате чего не требуется конфигурировать внутренние связи в системе.

Основными особенностями Master SCADA являются:

• ♦    единая среда разработки всего проекта;

• ♦    раздельное конфигурирование структуры системы и логической структуры объекта;

• ♦    открытость и следование стандартам;

• ♦    неограниченная гибкость вычислительных возможностей;

• ♦    объектный подход.

TRACE MODE

TRACE MODE [6] – интегрированная информационная система для управления промышленным производством, объединяющая в едином целом продукты класса SOFTLOGIC-SCADA/

HMI-MES-EAM-HRM. TRACE MODE дает решения для управления технологическими процессами в реальном времени, осуществляемого в тесной интеграции с управлением производственным бизнесом. На одной платформе объединены продукты для автоматизации технологических процессов и биз-нес-процессов (АСУП).

Интегрированная среда разработки TRACE MODE представляет собой единую программную оболочку, объединяющую все основные компоненты инструментальной системы:

• ♦    SOFTLOGIC — систему программирования контроллеров;

• ♦    SCADA/HMI — систему разработки распределенной АСУ ТП;

• ♦    MES-EAM-HRM — экономические модули для создания АСУП, полностью интегрированных с АСУ ТП.

Основными особенностями TRACE MODE являются:

• ♦    легкость интеграции со сторонним программным/аппаратным обеспечением;

• ♦    интеграция SCADA и Softlogic систем;

• ♦    интегрированная среда разработки, объединяющая в себе более 10 различных редакторов АСУ ТП и АСУП;

• ♦    принцип единого проекта для распределенной АСУ;

• ♦    обширная библиотека драйверов для контроллеров и устройств связи с объектом;

• ♦    поддержка языков программирования алгоритмов международного стандарта IEC 61131-3 [7];

• ♦    собственный генератор отчетов, позволяющий создавать полнофункциональные HTML-отчеты в реальном времени;

• ♦    технологии горячего резервирования – дублирование и троирование;

• ♦    интеграция с базами данных и другими приложениями.

InTouch

Wonderware InTouch [8] это приложение – генератор графического операторского интерфейса (HMI) для систем SCADA и других систем автоматизации производства. InTouch позволяет пользователям создавать операторские интерфейсы под Windows, которые тесно взаимодействует с другими ком- понентами Factory Suite. Wonderware InTouch предлагает расширенный набор готовых Мастер-объектов с индустриальной графикой, которые позволяют разработчику создавать сложные и мощные экраны операторского интерфейса. InTouch также имеет мощный язык сценариев.

Программный пакет InTouch состоит из двух основных компонентов – среды разработки и среды исполнения. В среде разработки создаются мнемосхемы, определяются и привязываются к аппаратным средствам входные и выходные сигналы и параметры, разрабатываются алгоритмы управления и назначаются права операторов. Созданное таким образом приложение функционирует в среде исполнения. Такое разграничение позволяет предотвратить несанкционированное изменение приложения, не определенное логикой его работы.

Для того чтобы приложение могло обмениваться данными с аппаратурой, необходимо использование третьего компонента – отдельной программы, называемой сервером ввода/вывода. Как правило, сервер ввода/вывода ориентирован на использование с конкретным видом оборудования, таким как промышленные контроллеры. Вместе с тем используются также серверы ввода/вывода, рассчитанные на обмен данными согласно определенным промышленным стандартам и которые могут работать со всеми контроллерами, удовлетворяющими этому стандарту (например, Modbus, ProfiBus, DeviceNet и др.).

Основные задачи, решаемые с помощью InTouch:

• ♦    сбор сигналов (определяющих состояние производственного процесса в текущий момент времени – температура, давление, положение и т.д.) с промышленной аппаратуры (контроллеры, датчики и т.д.), их графическое отображение на экране компьютера в удобной для оператора форме (на мнемосхемах, индикаторах, сигнальных элементах, в виде текстовых сообщений и т.д.);

• ♦    автоматический контроль за состоянием контролируемых параметров, генерация сигналов тревоги и выдача сообщений оператору в графической и текстовой форме в случае выхода их за пределы заданного диапазона;

• ♦    разработка и выполнение (автоматическое или по команде оператора) алгоритмов управления производственным процессом, сложность которых не ограничена и может представлять собой любую комбинацию из математических, логических и других операций;

• ♦    контроль за действиями оператора путем регистрации его в системе с помощью имени и пароля, и назначения ему определенных прав доступа, ограничивающих возможности оператора (если это необходимо) по управлению производственным процессом;

• ♦    вывод (автоматически или по команде оператора) управляющих воздействий в промышленные контроллеры и исполнительные механизмы для регулировки непрерывных или дискретных процессов, а также подача сообщений персоналу на информационное табло;

• ♦    автоматическое ведение журнала событий, в котором регистрируется изменение производственных параметров с возможностью просмотра в графическом виде записанных данных, а также ведение журнала аварийных сообщений, соблюдение регламента производственного процесса путем динамической загрузки (автоматически или по команде оператора) набора параметров из заготовленных шаблонов (рецептур) в технологическое оборудование;

• ♦    генерация отчетов и оперативных сводок.

Основные особенности программного пакета InTouch:

• ♦    простота использования и неограниченные возможности для разработчика (любое число мнемосхем, неограниченная сложность алгоритмов и пр.);

• ♦    использование стандартных протоколов обмена данными (DDE, OPC, TCP/IP и др.);

• ♦    высокая скорость работы благодаря механизму, динамически регулирующему скорость опроса входных сигналов (опрос происходит только при изменении значения контролируемого параметра);

• ♦    архитектура «клиент-сервер» для эффективной работы в сети. База данных ведется только на сервере,

нет необходимости копировать ее на клиентские станции;

• ♦    открытость — можно добавлять и использовать готовые компоненты других фирм вследствие поддержки технологий ActiveX и OPC;

• ♦    интеграция с другими программными пакетами фирмы Wonderware и простой обмен данными с популярными программными пакетами для Windows – Microsoft Excel, Microsoft Access, Microsoft Visual Basic и др.;

• ♦    возможность создания библиотек алгоритмов;

• ♦    возможность работы с более чем 120 000 сигналов и параметров (тэгов);

• ♦    автоматический контроль качества сигналов, поступающих с датчиков и контроллеров;

• ♦    распределенная система отслеживания и регистрации аварийных ситуаций одновременно поддерживает множество серверов (провайдеров) аварийных ситуаций, что дает возможность операторам видеть информацию об авариях во многих удаленных местах синхронно.

Simatic WinCC

Simatic WinCC [9] – это система мониторинга, управления и сбора данных, поддерживающая операционные системы семейства Windows. WinCC обеспечивает полную функциональность в управлении и наблюдении за процессом для всех отраслей промышленности, и от простых однопользовательских до распределенных многопользовательских систем с резервированными серверами и интегрированными решениями на основе Web-технологий.

Основными возможностями Simatic WinCC являются:

• ♦    визуализация технологического процесса;

• ♦    конфигурирование и настройка связи с контроллерами различных производителей;

• ♦    отображение, архивирование и протоколирование сообщений от технологического процесса;

• ♦    отображение, архивирование и протоколирование переменных;

• ♦    расширение возможностей системы за счет использования скриптов на языках ANSI C, VBS и VBA;

• ♦    проектирование системы отчетности;

• ♦    взаимодействие с другими приложениями, в том числе по сети, путем использования стандартных интерфейсов OLE (Object Linking and Embedding) и ODBC (Open Database Connectivity) обеспечивает простую интеграцию WinCC во внутреннюю информационную сеть предприятия;

• ♦    построение резервированных систем;

• ♦    расширение возможностей путем использования элементов ActiveX;

• ♦    открытый OPC-интерфейс.

IGSS

IGSS [10] – система диспетчерского управления и сбора данных, использующаяся во множестве отраслей промышленности, в том числе в системах управления транспортом, в судостроении, системах управления зданиями. SCADA-cистема IGSS основана на архитектуре «клиент-сервер» и может масштабироваться от одного приложения для одной операторской станции с охватом до 50 объектов (до 150 тэгов), до комплексной системы, включающей 50 операторских станций и 400 тыс. объектов c резервированием серверов. Основными особенностями системы являются:

• ♦    поддержка разнообразных стандартов и интерфейсов, включая DDE, ODBC, OPC, SQL, VBA/Automation, OLE и Active X, что позволяет обмениваться данными с приложениями других разработчиков;

• ♦    наличие широкого ряда драйверов, обеспечивающих обмен данными с программируемыми логическими контроллерами (PLC) всех ведущих производителей, в том числе и для наиболее популярных: ABB, Allen-Bradley, GE Fanuc, Koyo, Mitsubishi, Omron, Saia, Schneider Electric, Modbus RTU, Modbus/TCP, Modbus/GPRS, Siemens, VIPA;

• ♦    интернет-портал Web Portal IGSS позволяет удаленно отслеживать производственный процесс и управлять им с помощью КПК, коммуникатора или мобильного телефона. Модуль WinPager предназначен для передачи критически важных предупреждающих сообщений на сотовый телефон посредством SMS;

• ♦    благодаря модулю профилактического технического обслуживания

Maintenance можно планировать и отслеживать выполнение работ по ремонтно-техническому обслуживанию;

• ♦    наличие полного набора функций SCADA: визуализация, регистрация и обработка тревог, анализ, управление, коммуникационные драйверы, база данных, регистрация и анализ исторических данных и данных реального времени, отчеты, техобслуживание, многопользовательский доступ, web-портал, многоэкранное отображение мнемосхем, резервирование серверов, обновление в реальном времени.

КРУГ-2000

SCADA КРУГ-2000 [11] – современное высоконадежное средство построения АСУ ТП в области ответственных применений. АСУ ТП, разработанные на основе SCADA КРУГ-2000, успешно эксплуатируются на множестве предприятий по переработке нефти и газа, в энергетике, химической промышленности и многих других отраслях производства. Модульный подход к построению автоматизированных систем позволяет использовать только те программные компоненты SCADA КРУГ-2000, которые необходимы для решения поставленных задач. Таким образом, пользователь оплачивает только необходимый ему сейчас функционал, а дополнительные возможности «наращиваются» в ходе дальнейшей эксплуатации.

SCADA КРУГ-2000 обеспечивает быструю и надежную работу на проектах практически любого уровня сложности. Глубина архивов ограничивается только физическим размером жестких дисков (или иных средств хранения информации). Высокопроизводительная база данных (БД) реального времени системы КРУГ-2000 отделена от баз данных для хранения архивной информации, что позволяет гарантировать необходимую скорость работы БД реального времени. Кроме того, такая архитектура в случае необходимости позволяет разделить места хранения информации. Например, БД реального времени можно расположить на скоростном RAID-массиве пятого уровня, а БД трендов, протокола событий и БД архива печатных документов – хранить на объемном RAID первого уровня.

Основными особенностями системы являются:

• ♦    программные и аппаратные средства автоматического перезапуска (для станций и контроллеров);

• ♦    «горячее» резервирование сети, серверов базы данных (серверов БД), модулей ввода/вывода, контроллеров и процессоров на 1-ом контроллере;

• ♦    N-кратное резервирование станций оператора;

• ♦    поддержка кластерной архитектуры с дублированием контроллеров;

• ♦    обеспечение безударного перехода при переходе с основного на резервный контроллер;

• ♦    разграничение доступа к функциям SCADA-системы;

• ♦    поддержка стандарта IEC 61131 на нижнем и верхнем уровнях;

• ♦    поддержка промышленных шин: Modbus, СAN, DeviceNet, CanOpen и др.;

• ♦    обмен с контроллером по высоконадежному скоростному протоколу;

• ♦    системы реального времени для IBM PC-совместимых контроллеров и контроллеров на базе архитектуры Intel Xscale – QNX, LINUX;

• ♦    сетевая загрузка ПО контроллера, online диагностика контроллера и его модулей.

SCADA S3

SCADA S3 [12] – это высокопроизводительная, простая, надежная система мониторинга, управления и сбора данных, поддерживающая операционные системы Windows, Linux, Solaris; имеет полностью интегрированную среду разработки, поддерживающую групповые операции и автоконфигурирование. Она содержит встроенные языки IEC 61131, Web HMI, OPC-сервер, средства работы с СУБД (система управления базами данных), легко интегрируется с другими SCADA-системами и MES/ERP уровнем. SCADA S3 может управлять кластером QNX контроллеров и генерирует для них код. Она поддерживает распределенное по сети единое поле саморе-плицирующихся переменных, минимально нагружающее каналы связи. Среда исполнения SCADA S3 содержит десятки драйверов, DDK (Driver Development Kit), лицензию QNX Runtime.

Основными особенностями SCADA S3 являются:

• ♦    сверхнадежная операционная система РВ QNX в качестве целевой платформы задач управления, обеспечивающая аппаратную защиту кода и данных отдельных процессов;

• ♦    реализация программного сторожевого таймера, осуществляющего мониторинг отдельных процессов комплекса и их автоматический перезапуск в случае необходимости;

• ♦    встроенное в систему автоматическое протоколирование всех действий оператора и всех управляющих воздействий системы;

• ♦    единое поле самореплицирующихся переменных (тэгов) для гетерогенной сети рабочих станций и контроллеров, минимально нагружающее коммуникационные каналы;

• ♦    гибкость и масштабируемость. S3 подходит как для небольших одноузловых проектов, с несколькими десятками входов/выходов, так и для больших распределенных систем с тысячами параметров. S3 допускает постепенное наращивание количества переменных и узлов сети без переписывания кода. Нагрузка и функционал гибко перераспределяются горизонтально и вертикально по узлам гетерогенной сети;

• ♦    групповые операции над переменными, позволяющие автоматически создавать по шаблону и редактировать группу переменных;

• ♦    самоконфигурирующийся OPC-сервер, который автоматически ищет контроллеры и загружает из каждого список тегов.

iFix iFIX [13] – интегрированное HMI/ SCADA-решение для операционных систем семейства Windows на основе стандарта OPC и COM/DCOM-техно-логии, компонент семейства Intellution Dynamics. iFIX предоставляет надежный механизм SCADA, большой набор вариантов подключения, открытую архитектуру и высоко масштабируемую и распределяемую сетевую модель. Используемая в различных приложениях разных отраслей система идеально подходит как для простых приложений вроде стандартных приложений HMI, например, ручной ввод данных и про- верка, так и для очень сложных приложений SCADA, например, группирование, фильтрация и распределенное управления сигналами тревоги.

Основными особенностями системы являются:

• ♦    распределенная архитектура «клиент-сервер»;

• ♦    собственная подключаемость и подключаемость OPC;

• ♦    широкие возможности хранения и передачи данных;

• ♦    большое количество готовых графических объектов, система управления и набор инструментов;

• ♦    объекты VisiconX;

• ♦    надежный контейнер ActiveX, основанный на технологии Secure Containment;

• ♦    разделение журналов регистрации событий на Proficy Historian для наиболее критичных данных (до 100 тэгов), и Classic Historian (без ограничения количества тэгов) для менее критичных;

• ♦    мощные интерфейсы API для доступа к данным и автоматизированной разработки;

• ♦    обработка отказов и синхронизация базы данных;

• ♦    интегрированное управление изменениями;

• ♦    электронные подписи;

• ♦    гибкое составление графиков и трендов;

• ♦    расширенное и распределенное управление сигналами тревоги и сообщениями о событиях.

У рассмотренных систем были выделены основные характеристики, на основе которых была сформирована табл. 1 .

Рассмотрим некоторые характеристики подробнее.