АУСУ ТП
Оптимизация решений интеграции SCADA в управление предприятием
Минимизировать затраты и в то же время иметь все необходимые функции для контроля и управления технологическими процессами - возможно ли это? "Легкие" и "тяжелые" модели SCADA "КРУГ-2000", реализующие идею модульности [1], позволяют построить АСУ ТП любой мощности с использованием практически любых контроллеров и устройств связи с объектом (УСО). По соотношению цена/качество "легкие" модели относятся к числу самых привлекательных на рынке SCADA-систем. Они предназначены для создания АСУ ТП малой и средней информационной мощности.
"Тяжелые" модели SCADA "КРУГ-2000" составляют класс интегрированных SCADA. Объем функциональности "тяжелой" (интегрированной) модели "КРУГ-2000" позволяет создавать на ее основе АСУ ТП класса РСУ (DCS) с повышенными требованиями к надежности, использующие PC-совместимые контроллеры со средой программирования и исполнения производства НПФ "КРУГ".
Функциональность и структуру АСУ ТП, создаваемой на основе "легкой" и "тяжелой" моделей, определяют программные комплексы среды исполнения (Run-time) SCADA "КРУГ-2000". Их можно классифицировать следующим образом.
- По выполняемым функциям:
- комплексы, выполняющие только информационные функции по сбору и хранению данных;
- комплексы, которые помимо информационных задач выполняют функции управления.
Первые программные комплексы содержат в своем составе модуль "Графический интерфейс без управления", а вторые - модуль "Графический интерфейс с управлением".
- По типу сбора и хранения информации:
- комплексы, осуществляющие сбор и хранение текущих (оперативных) данных технологического процесса (содержат в своем составе модуль "Сервер базы данных", сервер БД);
- комплексы с возможностью архивирования данных для последующего просмотра и обработки (содержат модуль "Сервер архивной базы данных", сервер АБД).
- По структуре создаваемой АСУ ТП.
SCADA "КРУГ-2000" позволяет создавать АСУ ТП как с локальной (одно или более независимых АРМ оператора), так и с распределенной архитектурой.
Программные комплексы включают определенный набор исполняемых модулей и имеют следующие варианты исполнения:
- базовое - основной набор модулей функций (модулей), достаточный для построения разнообразных рабочих мест системы управления;
- профессиональное - расширенный набор функций (модулей) для систем с повышенными требованиями к надежности (например, в него входят функции резервирования, автоматического переключения сетей и серверов, автоматической печати отчетов и др.);
- пользовательское - возможность самостоятельного выбора необходимых функций (модулей) для конкретной системы управления.
Пример компоновки программного комплекса "станция оператора - сервер" "легкой" модели приведен в таблице (знаком "+" отмечены обязательные модули комплекса, знаком "*" - возможные дополнительные модули, знак "-" - отсутствие модуля).
На основе данного комплекса может быть построена АСУ ТП локальной архитектуры (рис. 1). Сервер через интерфейсы связи опрашивает все устройства связи с объектом (УСО), входящие в состав АСУ ТП, и преобразует информацию в вид, понятный оператору. Контроль и супервизорное управление технологическим процессом обеспечивает модуль "Графический интерфейс".
Рис. 1. АСУ ТП локальной архитектуры
Интерфейсы связи - это промышленные интерфейсы, поддерживаемые SCADA "КРУГ-2000".
УСО - устройства, драйверы которых реализованы в данной версии SCADA (в настоящий момент несколько десятков), а также все устройства, поддерживающие ОРС. Для связи с УСО используется модуль "Сервер ввода-вывода".
АСУ ТП такой архитектуры, как правило, применяются для объектов с небольшим количеством точек ввода-вывода (до 500), не выдвигающих повышенных требований к обеспечению взрыво- и пожарной безопасности, а также не критичных к временной потере контроля и управления.
Достоинства такой АСУ ТП:
- низкая стоимость. Например, цена программного комплекса "станция оператора
- сервер" на 60 точек ввода-вывода равна всего 155 у.е. (без НДС);
- простота проектирования;
- компактность;
- низкие требования к мощности вычислительного оборудования.
АСУ ТП, построенная по технологии "клиент - сервер" (рис. 2), представляет собой вариант распределенной архитектуры системы управления.
Рис. 2. АСУ ТП с архитектурой "клиент - сервер"
Основной сервер осуществляет обмен информацией с УСО через интерфейсы связи, а второй сервер находится в 100%-ном "горячем" резерве.
Контроль и управление осуществляются с тех станций операторов-клиентов, графический интерфейс которых связан с основным сервером.
Комплекс "Сервер БД" имеет графический интерфейс с ограничением количества мнемосхем (до пяти) и выполняет следующие функции:
- загрузка, ведение БД и предоставление доступа к ней клиентским приложениям;
- опрос УСО и обработка полученных значений;
- диагностика каналов связей и сетей;
- регистрация событий системы и ведение протокола событий;
- ведение трендов.
Если в АСУ ТП используется комплекс "Сервер АБД" (сервер архивной базы данных), то к этим функциям добавляются функции архивирования и резервного копирования.
АРМ с установленным комплексом "станция оператора - клиент" - это основное рабочее место контроля и управления технологическим процессом. Комплекс предоставляет для этого следующие функции:
- визуализация состояния объектов АСУ ТП с динамической индикацией значений параметров технологического процесса;
- отображение поведения контуров регулирования;
- сигнализация аварийных и предаварийных ситуаций;
- дистанционное управление исполнительными механизмами и приводами;
- дистанционное изменение заданий аналоговым регуляторам;
- разграничение доступа к средствам системы управления по паролю;
- визуализация протокола событий;
- визуализация истории процесса в виде графиков и таблиц;
- другие.
АСУ ТП такой архитектуры можно рекомендовать для систем контроля и управления с количеством точек ввода-вывода до 5000, выдвигающих повышенные требования к обеспечению взрыво- и пожаробезопасности, а также критичных к временной потере контроля и управления. Для "легкой" SCADA "КРУГ-2000" 5000 точек ввода-вывода - это нормальная нагрузка, однако и масштаб АСУ ТП с десятками тысяч параметров может быть реализован с помощью "легкой" модели.
Достоинства данной архитектуры АСУ ТП:
- низкая вероятность временной потери контроля и управления, а также частичной потери данных;
- простота контроля и управления;
- возможность масштабирования за счет подключения дополнительных клиентов.
Для построения АСУ ТП по технологии "клиент-сервер" можно использовать и другие комплексы среды исполнения SCADA "КРУГ-2000", например:
- "станцию мониторинга - сервер";
- "станцию мониторинга - клиент";
- "станцию оператора/архивирования - сервер";
- "станцию оператора/архивирования - клиент".
В информационно-управляющей структуре предприятия SCADA-система обеспечивает автоматизацию функций контроля и супервизорного управления технологическими процессами. В современной классификации уровней управления предприятием (рис. 3) это уровень 2. Информационный обмен между SCADA-системой и системами нижнего (уровень 1) и верхнего (MES, ERP) уровней управления является самым напряженным по объему информации и времени реакции на события. Таким образом, современная SCADA-система должна поддерживать гибкую и быструю интеграцию с программными системами нижнего и верхнего уровней управления предприятием.
Рис. 3. Уровни управления предприятием
Рассмотрим возможности и программные средства SCADA "КРУГ-2000", которые обеспечивают такую интеграцию. По своей архитектуре "КРУГ-2000" является модульной, интегрированной и открытой программной системой [1].
Модули среды исполнения комплекса "станция оператора - сервер"
Интеграция с нижним уровнем
Сбор данных и передача управляющих воздействий в PLC и/или УСО - основные функции SCADA. "КРУГ-2000" поддерживает сетевые протоколы обмена данными Fast Ethernet, RS-485, RS-232, CAN, DeviceNet, TCP/IP, UDP, Modbus и ряд других. Программные средства SCADA "КРУГ-2000" включают сервер ввода-вывода и библиотеку драйверов УСО, которые поддерживают работу более чем с 60 контроллерами и УСО, а также со всеми устройствами, поддерживающими стандарт OPC. Если в библиотеке отсутствует требуемый драйвер, то для его создания предназначен SDK для разработки пользовательских драйверов УСО.
Одним из преимуществ SCADA "КРУГ-2000" является интеграция со средой программирования контроллеров (soft-logic). В НПФ "КРУГ" разработана среда исполнения для РС-совместимых контроллеров, которая функционирует под управлением операционных систем QNX, Linux. Интеграция SCADA "КРУГ-2000" со средой исполнения контроллеров обеспечивается следующими решениями:
- единая база данных реального времени SCADA "КРУГ-2000" и среды исполнения контроллеров;
- использование модуля РСУ (распределенная система управления) SCADA "КРУГ-2000". Функции модуля:
- поддержка отказоустойчивого высокоэффективного алгоритма и протокола обмена с контроллерами;
- передача команд управления от оператора к контроллеру с максимальным приоритетом;
- обработка событийных сообщений, сформированных в контроллере;
- другие функции, позволяющие создавать полномасштабные, полнофункциональные АСУ ТП класса РСУ;
- сетевая загрузка контроллеров. Выполняется со станции инжиниринга;
- онлайновая диагностика контроллера и его модулей. Выполняется со станции инжиниринга и со станции оператора;
- максимальная децентрализация обработки переменных (вся обработка переменных оперативной базы данных выполняется на контроллерном уровне).
Кроме того, в состав среды разработки SCADA "КРУГ-2000" входит интегрированная среда КРУГОЛ, которая используется для программирования и отладки программ на языках, соответствующих стандарту IEC 61131-3. КРУГОЛ включает отладочные средства как для платформы станции оператора, так и для платформы контроллера.
Интеграция SCADA "КРУГ-2000" со средой программирования контроллеров, наличие библиотеки драйверов УСО, использование эффективных алгоритмов обмена данными позволяют получить высокие динамические характеристики и дают экономические преимущества:
- однократный набор атрибутов базы данных (минимизирует количество ошибок при подготовке данных);
- применение полностью совместимых программных средств (SCADA и контроллеров) одного производителя (нет необходимости приобретать ПО у разных фирм);
- простота технической поддержки ("из одних рук");
- гарантия совместимости новых версий со старыми (нет необходимости осуществлять версионный контроль программных средств разных фирм).
Интеграция с верхним уровнем
SCADA-система концентрирует информационные потоки реального времени и является одним из ключевых источников данных для MES- и ERP-систем. Для интеграции с системами верхнего уровня наибольшее значение имеет такая характеристика SCADA, как открытость [2]. Использование международных стандартов для разработки программных средств и обмена данными позволяетинтегрировать SCADA "КРУГ-2000" в MES-, ERP- и другие автоматизированные системы управления, а также использовать "КРУГ-2000" в качестве хранилища данных и общей платформы для приложений третьих фирм. SCADA "КРУГ-2000" поддерживает следующие стандарты:
- COM, DCOM, ActiveX - разработка программных средств;
- OPC - программный интерфейс для передачи информации в области промышленной автоматизации;
- ODBC - обмен информацией с базами данных с использованием языка SQL.
В дополнение к поддержке международных стандартов программные средства SCADA "КРУГ-2000" включают следующие компоненты:
- API БД - доступ к данным реального времени "КРУГ-2000" для внешних приложений;
- универсальный конвертер данных - преобразование данных "КРУГ-2000" в форматы статистической обработки (например, CSV для MS Exсel) и электронного документооборота (XML);
- файл-обмен - клиентское приложение обмена данными SCADA "КРУГ-2000" с файл-сервером пользователя.
Наличие этих развитых средств позволило осуществить интеграцию "КРУГ-2000" с известными системами управления предприятием (VisualPlant).
Поддержка ОРС-технологии. В "легкой" модели SCADA "КРУГ-2000" - это основа интеграции SCADA-системы прежде всего с "нижним" уровнем управления технологическим процессом, в "тяжелой" - с "верхним" уровнем управления предприятием. Необходимые для этого компоненты - ОРС-сервер и ОРС-клиент - являются модулями среды исполнения SCADA "КРУГ-2000".
Internet/intranet. Конечно, не забыты в "легкой" и "тяжелых" моделях и возможности использования Internet/intranet для мониторинга технологического процесса. Удаленный контроль с помощью Web-браузера обеспечивает модуль "Web-контроль" среды исполнения.
В настоящее время НПФ "КРУГ" разрабатывает территориально распределенную АСУ производства пива в ОАО "Визит" города Кузнецка.
На "нижнем" уровне этой АСУ ТП используются аппаратные средства фирмы "Овен" ТРМ-138, обмен данными с которыми осуществляется по ОРС-технологии (ОРС-сервер фирмы "Овен" и ОРС-клиент фирмы "КРУГ").
На SCADA-уровне контроль и управление процессом изготовления пива осуществляются с АРМов, где установлены программные комплексы SCADA "КРУГ-2000".
В Пензе на расстоянии 120 км от основных цехов производятся учет и контроль технологического процесса с помощью MS Internet Explorer. Пример отображения мнемосхемы процесса варки пива в окне Internet Explorer приведен на рис. 4. Для управления производством используется ERP-система Microsoft Axapta.
Рис. 4. Отображение мнемосхемы технологического процесса варки пива в окне Internet Explorer
Выводы
SCADA "КРУГ-2000" обладает всеми механизмами, необходимыми для интеграции в систему управления предприятием в целом как на MES-, так и на ERP-уровнях.
Политика НПФ "КРУГ" по формированию программных комплексов среды исполнения SCADA "КРУГ-2000" нацелена на развитие стратегической инициативы фирмы, которая сформулирована как "отказ от торговли с нагрузкой". При этом пользователь получает два основных преимущества: u возможность собрать среду исполнения только с теми функциями (модулями), которые в данное время нужны, а соответственно, и оплачивать только требуемые функции. При этом среда разработки предоставляется бесплатно; u при необходимости в будущем "бесшовно" и легко дополнять уже имеющуюся систему новыми модулями, т. е. обеспечивается масштабируемость системы не только по объему (точкам ввода-вывода), но и по функциям.
"Легкие" и "тяжелые" модели SCADA "КРУГ-2000" полностью отвечают этой политике и предоставляют все необходимые функции для построения современных автоматизированных систем управления производством с минимальными затратами.
Литература
1. Шехтман М. Б. Модульная интегрированная SCADA "КРУГ-2000" - новые решения// Промышленные АСУ и контроллеры, 2004, N 2, с. 32.
2. Шерешевский Л. Вопросы открытости SCADA-систем// Мир компьютерной автоматизации, 2003, N 4, с. 86.
К автору статьи, ведущему специалисту научно-производственной фирмы "КРУГ" (www.krug2000.ru), можно обратиться по адресу: krug@penza.com.ru.
