Лекция 5 Технические средства АТТП. Часть 3 - SCADA-системы

Для автоматизации непрерывных технологических процессов, таких как, например, переработка нефти и газа, а также нефтехимические процессы наиболее адаптированы DCS-системы (см. следующую лекцию). Х арактерная черта управляющих процессоров (контроллеров) DCS-систем - способность поддерживать большое количество контуров ПИД -регулирования.

Для рассредоточенных объектов, таких, как нефтяные и газовые промыслы, а также для объектов транспорта нефти и газа применяют системы, построенные на базе PLC и программного обеспечения SCADA. Задачей таких систем является обеспечение автоматического дистанционного наблюдения и дискретного управления функциями большого количества распределенных устройств (часто находящихся на большом расстоянии друг от друга и от диспетчерского пункта). Количество возможных устройств, работающих под управлением систем диспетчерского контроля и управления, велико и может достигать нескольких сотен. Для этих систем наиболее характерной задачей является сбор и передача данных, которая реализуется дистанционно расположенными (удаленными) терминальными устройствами (RTU)

Ранние управляющие решения, предварившие наступление эры SCADA, назывались «телеметрическими» системами и представляли собой попытки организовать дистанционный мониторинг небольшого числа параметров (обычно одного-двух). В те времена никому и в голову не могло прийти, что уже к концу столетия оператор управляющей системы будет видеть буквально всё происходящее на удалённой станции. Тем не менее, все основные требования, которым должны удовлетворять современные решения типа SCADA, равно как и большинство обеспечиваемых такими решениями преимуществ, присутствовали уже в телеметрических системах начала 70 годов прошлого века хотя бы в зачаточном виде. Для отображения текущего состояния системы тогда использовались «имитационные стены» (mimic wall). Оперативность вывода информации на такие стены можно охарактеризовать как «приближающуюся к реальному времени»: показания индикаторов и лампочек изменялись вручную по мере того, как перемещающиеся по удалённым локациям операторы получали новые данные.

Аббревиатура SCADA расшифровывается как Supervisory Control and Data Acquisition – диспетчерский контроль и сбор данных.

Традиционные рынки и движущие силы. Управляющие системы типа SCADA возникли в тех отраслях, где в отличие от обрабатывающей промышленности «производственные мощности» в принципе нельзя объединить под крышей одного или нескольких близко расположенных зданий. Основными пользователями SCADA-решений во все времена были распределённые компании и предприятия, занимающиеся:

· водоснабжением и водоочисткой,

· сбором производственных и ливневых сточных вод,

· регулированием паводков и дренажем,

· ирригацией,

· энергоснабжением,

· добычей и транспортировкой нефти,

· транспортировкой природного газа,

а также крупные промышленные предприятия, имеющие удалённые станции.

Основными стимулами развития SCADA-систем и роста их популярности на протяжении последних пятидесяти лет служили два тесно связанных друг с другом фактора. Первый– это желание операторов иметь более полный и качественный контроль над распределёнными процессами. Второй фактор – это стремление руководства сокращать и регулировать расходы.

Стремительный рост расходов за последние полвека в значительной степени обусловлен увеличением затрат на электроэнергию и рабочую силу. В отсутствие SCADA-системы насосами и прочими удалёнными станциями приходится управлять локально, руководствуясь информацией о давлении, расходе и другими данными, получаемыми на местах. Разные станции в этом случае управляются совершенно независимо, даже если они являются частью одной распределительной сети.

Другая причина роста расходов - это рабочая сила. До наступления эпохи современных SCADA-решений, типичная распределённая система управления, будь то управление водоснабжением, водоочисткой, ирригацией или транспортировкой углеводородов, требовала наличия штата «операторов на колёсах», периодически посещающих удалённые станции с целью сбора данных, внесения изменений, контроля над соблюдением требований к техническому обслуживанию и проведения инспекций. Причём эта деятельность должна была осуществляться непрерывно и круглосуточно – 24 часа в день 7 дней в неделю. В 70 годах прошлого века типичная сеть водоснабжения в США обслуживалась в среднем шестью-восемью «операторами на колёсах».

Существуют и другие факторы, способствующие развитию рынка управляющих систем типа SCADA. Это демографические изменения, рост эксплуатационных расходов и неэффективность альтернативных методов. Содержать операторов, разъезжающих от станции к станции для проведения рутинных инспекций, стало просто-напросто невыгодно. Такое удовольствие слишком дорого стоит, да и квалифицированных операторов в наши дни не так много, и их ещё придётся упрашивать взяться за такую работу.

Не говоря уже о том, что оперативность обновления информации, максимально приближенная к реальному времени, считается необходимым условием для оптимизации работы распределённого предприятия, имеющего удалённые станции.

Современные SCADA-сети. В превращении SCADA-систем из полностью частно фирменных, каковыми они были в 1970 годах, в почти полностью открытые, каковыми они стали в начале XXI века, большая заслуга принадлежит открытым сетевым протоколам. Первым таким протоколом стал Modbus, затем в корпоративном мире развился сектор IT, где был придуман способ объединения отдельных компьютеров в сети с архитектурой «клиент-сервер». Появление технологии Ethernet и её сращивание со стеком протоколов TCP/IP позволило организовывать перемещение огромных объёмов данных на большие расстояния с использованием исключительно COTS-продуктов и открытых нечастнофирменных технологий.

Кроме того, настойчивость, с которой компания Microsoft стремилась к созданию универсального механизма, который должен был позволить приложениям разных поставщиков взаимодействовать между собой, привела к появлению в индустрии SCADA ряда промышленных стандартов: сначала DCOM и OLE, затем OPC – специальной версии OLE для автоматизации технологических процессов.

В современных управляющих системах типа SCADA связь с полевыми устройствами и корпоративным уровнем реализуется поверх Ethernet или беспроводных сетей на базе технологий OPC и TCP/IP, не привязанных жёстко к конкретным коммуникационным протоколам и средам. В самых новых системах применяются сервисы Microsoft.NET и стандарт XML, которые расширяют возможности технологии OPC и традиционных сетевых коммуникаций.

Сближение управляющих систем типа SCADA и DCS. Концепция SCADA была выработана в поисках способов организации управления на распределённых предприятиях, занимающихся водоснабжением и сбором сточных вод, транспортировкой нефти и газа, доставкой электроэнергии и т.п. Аналогами SCADA-систем для обрабатывающей промышленности, появившимися под влиянием схожих причин и призванными решать схожие задачи, являются управляющие решения типа DCS.

Есть разные мнения относительно того, как следует расшифровывать аббревиатуру DCS, однако большинство специалистов склоняются к варианту Distributed Control System – распределённая система управления. DCS-решения всегда были почти полностью частнофирменными и продолжают оставаться таковыми по сей день. В этом отношении управляющие системы DCS сильно отличаются от управляющих систем SCADA, которые также относятся к распределённым, но строятся с использованием COTS-продуктов и открытых технологий.

Однако с течением времени дистанция между решениями двух типов сокращается. Управляющие системы на базе SCADA вбирают в себя всё больше оригинальной DCS-функциональности, включая локальное управление с обратной связью, работу с алармами, оптимизацию технологических процессов и анализ данных. В свою очередь, DCS-поставщики предлагают системы, трудноотличимые от их SCADA-аналогов, но по-прежнему называющиеся DCS.

Если забыть о некоторых особо критических функциях, востребованных в нефтехимических приложениях, типичная сегодняшняя DCS-система, которую предлагает классический поставщик промышленных управляющих решений, ничем не отличается от типичной сегодняшней SCADA-системы, над которой поколдовал интегратор.