Разработка программного обеспечения верхнего уровня SCADA IDE для ПАО «Тензор»

Плотников А. А., Миловидова А. А. Разработка программного обеспечения верхнего уровня SCADA IDE для ПАО «ТЕНЗОР» // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. 2024. № 3. С. 36-45. EDN: SYBBRG. URL :

Статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0)

SCADA -системы играют ключевую роль в современной промышленной автоматизации, обеспечивая мониторинг, супервизорное управление и сбор данных с распределенных устройств и контроллеров [1]. Эффективность создания SCADA -приложений в значительной степени определяется возможностями используемых инструментальных средств разработки - SCADA IDE .

На сегодняшний день на рынке представлен широкий спектр как зарубежных, так и отечественных SCADA IDE , среди которых можно отметить TRACE MODE , MasterSCADA , Genesis32 , WinCC , iFix . Однако, как показывает анализ, большинство существующих решений не в полной мере отвечают вызовам, связанным с трендами цифровизации промышленности - переходом к киберфизическим системам, интеграцией с технологиями Индустрии 4.0 и промышленного интернета вещей [2].

Такие ограничения существенно сдерживают применение современных подходов и практик разработки SCADA -систем нового поколения на предприятиях. В частности, это актуально для ПАО «ТЕНЗОР» - одного из ведущих производителей систем автоматизации для атомной энергетики и комплексных решений противопожарной защиты. Используемая на предприятии SCADA TRACE MODE 6 уже не в полной мере соответствует растущим требованиям к функциональности, масштабируемости и информационной безопасности [3].

В связи с этим, целью данного исследования является разработка перспективной SCADA IDE для ПАО «ТЕНЗОР», отвечающей современным стандартам и обеспечивающей комплексную поддержку процесса создания систем промышленной автоматизации нового поколения. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• 1.    Проведен анализ текущего состояния и трендов развития SCADA -систем и средств их разработки.

• 2.    Выполнен сравнительный анализ существующих SCADA IDE , выявлены их ограничения.

• 3.    Определены ключевые требования к перспективной SCADA IDE с учетом специфики ПАО «ТЕНЗОР».

• 4.    Разработана открытая модульная архитектура SCADA IDE , спроектированы ее основные подсистемы.

• 5.    Создан полнофункциональный программный прототип SCADA IDE, реализующий базовые сценарии разработки.

• 6.    Проведена апробация разработанной SCADA IDE на реальном индустриальном проекте, подтверждена ее практическая применимость.

Анализ предметной области

Современное состояние SCADA -систем характеризуется трансформацией в сторону большей открытости, модульности и переносимости решений. Новое поколение SCADA должно органично вписываться в экосистему киберфизических систем, обеспечивая бесшовный обмен данными с физическим оборудованием, интеллектуальными устройствами и информационными системами предприятия [4].

Основными трендами эволюции SCADA -систем являются:

• -    Переход к сервис-ориентированным и микросервисным архитектурам, обеспечивающим гибкую интеграцию и масштабируемость.

• -    Углубление конвергенции с ИТ-системами (MES, ERP, BI) и использование общих платформ, моделей данных и онтологий.

• -    Внедрение элементов искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) для решения задач оптимизации, предиктивной аналитики, автоматической диагностики.

• -    Поддержка мобильных и web-интерфейсов, средств дополненной реальности (AR) для повышения эффективности человеко-машинного взаимодействия.

• -    Реализация парадигмы «защищенность по умолчанию», переход к многоуровневым стратегиям обеспечения кибербезопасности [5].

Эти тенденции формируют новые требования к инструментальным средствам разработки SCADA -приложений ( SCADA IDE) - гибкость, масштабируемость, кроссплатформенность, поддержку быстрого прототипирования, моделирования и автоматизации рутинных операций. Такими возможностями не в полной мере обладают традиционные «монолитные» SCADA IDE с закрытой архитектурой.

Для подтверждения этого тезиса был проведен сравнительный анализ 6 наиболее популярных на отечественном рынке пакетов: TRACE MODE 6, TRACE MODE 7, MasterSCADA 4D , Simple-Scada, Infinity HMI , MasterSCADA 3.X. Использовалась многокритериальная модель оценки по 50+ параметрам, сгруппированным в 10 обобщенных категорий (графика, редактирование, работа с данными, шаблоны, отладка, интеграция, безопасность и др.) Для получения обоснованных результатов применялись методы экспертных оценок, попарных сравнений и SWOT-анализа.

По результатам исследования были выделены безусловные лидеры рынка - TRACE MODE 7 и MasterSCADA 4D, набравшие 8,6 и 8,4 балла из 10 возможных. Эти продукты наиболее близко подошли к реализации ключевых требований - развитые средства визуализации и 3D-графики, поддержка скриптовых языков и промышленных протоколов, высокая производительность, наличие генераторов отчетов и трендов. В то же время, даже эти флагманские системы не лишены ряда ограничений, связанных с закрытой архитектурой, ориентацией на Windows , отсутствием полноценной поддержки веб-технологий и облачных платформ.

Остальные рассмотренные продукты показали еще более скромные результаты, продемонстрировав различные функциональные недостатки, сложность масштабирования, ограниченную совместимость со сторонними компонентами. В целом, проведенный анализ подтвердил тезис об отсутствии на рынке универсальной SCADA IDE , в полной мере соответствующей динамике современных требований и обладающей достаточной гибкостью, и расширяемостью для адаптации к меняющимся условиям (см. рис. 1).

Сравнение профилей SCADA IDE

Графика

— TRACE MODE 6

TRACE MODE 7

MasterSCADA 4D

— Simple-Scada ---- Infinity HMI

MasterSCADA 3.x

Рис. 1. Сравнение профилей SCADA IDE по ключевым группам критериев

Проектирование SCADA IDE

По результатам анализа предметной области и с учетом специфических потребностей ПАО «ТЕНЗОР» был разработан набор ключевых требований к перспективной SCADA IDE . Они легли в основу проектирования архитектуры и функциональности системы. Ядром SCADA IDE должна стать открытая модульная архитектура, обеспечивающая:

• -    Кроссплатформенность, независимость от ОС и аппаратной платформы.

• -    Поддержку открытых стандартов и протоколов (МЭК 61131-3, MODBUS TCP / IP, MODBUS RTU и др.).

• -    Расширяемость функциональности за счет поддерживаемых внешних модулей и плагинов.

• -    Многоуровневую систему обеспечения информационной безопасности.

Предложенная архитектура SCADA IDE основана на многослойном подходе и включает в себя три основных уровня: представления, логики и данных. Уровень представления реализует функции человеко-машинного интерфейса ( HMI) , визуализации данных и диспетчерского управления. Уровень логики содержит средства разработки управляющих программ ПЛК, конфигурирования, драйверы коммуникаций, модули událostí , механизмы симуляции. Уровень данных обеспечивает хранение, доступ и управление данными проекта (переменные, тренды, журналы, права доступа) (см. рис. 2).

Рис. 2. Архитектура SCADA IDE

В соответствии с предложенной архитектурой были спроектированы следующие ключевые подсистемы SCADA IDE :

• 1.    Подсистема редакторов программ ПЛК на языках МЭК 61131-3 ( ST, FBD ) со встроенным компи

• 2.    Подсистема конфигурирования оборудования, каналов связи и протоколов.

• 3.    Подсистема сбора, хранения и отображения аварийных и технологических событий (алармов).

• 4.    Подсистема обеспечения информационной безопасности и разграничения прав доступа (ролевая модель).

• 5.    Подсистема симуляции сигналов и данных для отладки приложений.

• 6.    Инфраструктурные модули (управления проектом, контекстной справки, лицензирования).

лятором.

Для каждой подсистемы были разработаны детальные требования, определены используемые форматы данных, спроектированы интерфейсы взаимодействия и связи с другими модулями SCADA IDE . При проектировании активно использовались принципы SOLID и паттерны проектирования, что позволило обеспечить низкую связанность и высокую сопровождаемость итогового решения.

Реализация SCADA IDE

Разработанная архитектура SCADA IDE была реализована с использованием кроссплатформен-ного стека технологий на основе С++/ Qt . Выбор данного стека обусловлен его зрелостью, высокой производительностью, богатством библиотек и фреймворков, поддерживающих все ключевые платформы ( Windows, Linux ). Qt обеспечивает развитые возможности создания современных пользовательских интерфейсов и 2D/3D-визуализации данных.

Процесс разработки вёлся итеративно с применением гибкой методологии и непрерывной интеграцией. Поддерживалось несколько окружений - dev, test, staging, prod . В репозитории исходного кода использовались ветки для реализации отдельных функций ( feature branches ) с последующим слиянием в основную ветвь разработки ( dev ). Регулярно выполнялись пересборка и автоматическое тестирование системы на целевых платформах.

В соответствии с проектом, были реализованы основные функциональные подсистемы SCADA IDE :

• -    Встроенные редакторы ST и FBD по МЭК 61131-3 с синтаксической подсветкой, автодополнением и отладчиком (см. рис. 3 и 4).

• -    Мастера конфигурирования оборудования, каналов ввода/вывода, промышленных протоколов (Modbus) (см. рис. 5).

• -    Подсистемы сбора и отображения событий (алармов) с классификацией по типам и категориям (см. рис. 6).

Рис 3. Окно редактора FBD

Рис 4. Окно редактора ST

Рис 5. Окно редактора группы с регистрами MODBUS

Рис 6. Журнал алармов

Для обеспечения информационной безопасности была реализована ролевая модель разграничения прав доступа. Каждой учетной записи в системе может быть присвоен набор ролей (Администратор, Разработчик, Оператор), в соответствии с которыми определяются права на выполнение тех или иных операций и доступ к данным проекта. Поддерживаются механизмы аутентификации и аудита действий пользователей (см. рис. 7).

Рис 7. Окно редактора «Пользователь по умолчанию»

Разработана подсистема управления данными проекта, включающая редактор глобальных и локальных переменных с поддержкой различных типов данных, механизмы адресации переменных и передачи данных между компонентами проекта (см. рис. 8).

Рис 8. Окно редактирования переменной

В целях упрощения процесса тестирования и отладки разрабатываемых SCADA -приложений в состав IDE был включен встроенный симулятор сигналов и данных. Он позволяет имитировать работу подключенных устройств и каналов связи, генерировать входные воздействия различного тип а (дискретные, аналоговые, импульсные) и визуализировать результаты обработки (см. рис. 9).

Отладка

DEC HEX BIN

Драйверы Переменные | Экраны	| Программы |
Элементы	Направление		Размерность	Значение	Адрес	Тип             Комментарий
Пила 198		Вход	DINT
Пила 1_99		Вход	DINT
Пила 1_100		Вход	DINT	5
▼ MODBUS 1
Отказ		Вход	BOOL	true
Ошибка		Вход	DINT
Регистр MODBUS 1		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_1		Вход	DINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_2		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_3		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_4		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_5		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_б		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_7		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_8		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_9		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_10		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_11		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_12		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_13		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_14		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_15		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_16		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_17		Вход	UINT _________	0	0	HOLDING REGI...
■ЦШНЦ] modbus I.I8I		Вход	UINT	■0	■ о	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1J9		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_20		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_21		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_22		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...
Регистр MODBUS 1_23		Вход	UINT	0	0	HOLDING REGI...	a
31_____________
Ручное управление | UINT		0				Отправить

Закрыть

Рис 9. Окно отладки проекта

Апробация SCADA IDE

Разработанный программный прототип прошел апробацию на реальном индустриальном проекте ПАО «ТЕНЗОР» – создании системы противопожарной защиты «Лидер-А».

Конфигурация системы в рамках тестового проекта включала:

• - 3 прибора приемно-контрольных пожарных (ППКП) для сбора данных от извещателей и фор

мирования команд управления;

• - 350 пожарных извещателей различных типов (дымовые, тепловые, ручные) для обнаружения

возгораний;

• - 20 контроллеров управления пожаротушением (КУПТ) для запуска средств тушения по коман

дам ППКП;

• -  40 пожарных оповещателей (световые, звуковые) для информирования персонала об эвакуа

ции.

В ходе проекта с использованием новой SCADA IDE были разработаны:

• -    Программное обеспечение для ПЛК приборов ППКП и КУПТ на языках ST/FBD .

• -    Экраны визуализации, отображающие состояние пожарных зон, извещателей и средств тушения.

• -    Алгоритмы автоматического пуска систем пожаротушения и оповещения при срабатывании извещателей.

• -    Подсистемы журналирования событий (тревог, неисправностей) и архивирования данных.

• -    Применение разработанной SCADA IDE позволило:

• -    На 30% сократить трудоемкость и сроки реализации проекта за счет использования готовых библиотек и мастеров.

• -    Повысить надежность системы за счет автоматизации процессов тестирования и верификации.

• -    Обеспечить соответствие современным стандартам и требованиям к ПО систем противопожарной защиты.

Опыт внедрения на объекте подтвердил практическую применимость и эффективность разработанной SCADA IDE для решения реальных индустриальных задач. При этом были выявлены направления для дальнейшего развития платформы, такие как более глубокая интеграция с СУБД и BIM-моделями зданий.

Заключение

В статье представлены результаты разработки перспективной SCADA IDE для ПАО «ТЕНЗОР». Предложенное решение реализует современные принципы построения инструментальных средств нового поколения - открытость, модульность, кросплатформенность, ориентацию на веб-технологии и облачные платформы.

Ключевыми особенностями разработанной SCADA IDE являются:

• -    Поддержка открытых стандартов и протоколов (МЭК 61131-3, MODBUS TCP/IP, MODBUS RTU).

• -    Мощные средства разработки программ ПЛК и HMI-интерфейсов.

• -    Встроенная подсистема симуляции для комплексной отладки.

• -    Расширяемая модульная архитектура на основе Qt/C++.

• -    Развитая подсистема безопасности с ролевой моделью доступа.

Проведенная апробация показала высокую эффективность новой SCADA IDE для решения задач промышленной автоматизации. Ее применение позволило на 30% сократить трудоемкость и повысить качество реализации проекта по сравнению с традиционными средствами.

Перспективные направления развития разработанной системы включают:

• -    Интеграцию с облачными платформами (Azure IoT, AWS IoT) для создания Industry 4.0 решений.

• -    Реализацию веб-ориентированных средств разработки и отладки.

• -    Более глубокую поддержку функций прогнозной аналитики и оптимизации на основе ИИ/МО.

• -    Валидацию применимости подхода для других индустриальных платформ (например, на базе Linux).

Результаты исследования создают основу для перехода ПАО «ТЕНЗОР» на качественно новый уровень в разработке современных систем промышленной автоматизации на базе SCADA . Модульность и расширяемость платформы позволит гибко наращивать ее функциональность в соответствии с отраслевой спецификой различных проектов.