Проектирования систем управления технологическими
процессами
с помощью ClearSCADA
А.А. Амбарцумян,
д.т.н проф.,
Е.Е. Томилин,
С.В. Толмачев,
С.А.
Чернов
ambar@ipu.rssi.ru, tomilin@ru, t_serrrge@rambler.ru, ztaaz@yandex.ru , ИПУ им.В.А. Трапезникова
РАН, г. Москва
Большинство
SCADA[1]
систем, представленных в настоящее время на рынке инструментов для АСУ ТП, по
функциональности недалеко ушли от инструментов принятых еще в системах КИПиА и
щитовых АСУТП 70 –
Как
правило (см. [1-4]), SCADA систему при разработке ориентируют именно на
конечного пользователя, оставляя в стороне запросы остальных специалистов. Наиболее
известными решениями такого типа стали продукты iFix компании Intellution Inc.; InTouch (Wonderware Software Development Corp.); FactoryLink (United States Data Corp.); Plantworks (IBM); OnSpec (Heuristics Inc.); Iconics
(Genesis); Paragon (Intec Controls Corp.).
Из
отечественных продуктов следует отметить систему «ОПЕРАТОР» Института Проблем
Управления РАН [5], систему TraceMode московской фирмы AdAstra [6].
Совершенствуются системы вывода
графической информации, добавляются новые функции для отображения системных событий
и тревог, дополнительные сервисные службы для операторов и т.д. – вот общие
тенденции в развитии большинства систем.
В принципе, это прагматичный подход, т.к.
конечному пользователю совершенно неважно каким образом информация от ТОУ
попадет на экран конкретного АРМа. Конечный пользователь оценивает надежность и
интуитивность интерфейса, который создает ему проектант.
Вместе с тем в последнее время требования
рынка к SCADA изменились. Простой сбор и отображение данных не удовлетворяют
заказчика. Заказчик заинтересован в повышении эффективности ведения
технологических процессов, снижении рисков от влияния человеческого фактора в
управлении ТОУ. Для этого необходимы SCADA ориентированные на разработчика и
поддерживающие полный цикл создания системы.
В
соответствии с требованиями появляются SCADA нового поколения и системы
управления, основанные на них позволяющие построить единый интегрированный
механизм управления предприятием.
ClearSCADA и проектирование.
На
Рис. 1 представлен упрощенный цикл работ по созданию АСУ ТП. Идеальным с точки
зрения разработчика являлся бы такой инструмент, который автоматизирует все
этапы от концептов системы до пуско-наладки и обеспечит цикл её поддержки и
модернизации.
Рис 1. Этапы создания АСУ ТП
Очевидно,
что полностью автоматизировать этап обследования не получится, но инструменты
для формализации и структурирования знаний необходимы и жизненно важны. На
этапе реализации необходимы инструменты позволяющие преобразовать знания о ТОУ
в конкретные алгоритмы и структуры данных. К сожалению, на рынке пока не
представлено инструментов подобного типа. Не менее важна и поддержка
работающего проекта, т.к. из-за сложности современных ТОУ, проект без ошибок
практически не возможен. Кроме того, зачастую случается, что предоставляемые
заказчиком данные неверны или искажены, или ТОУ изменился со времени обследования.
Соответственно необходим механизм быстрого перехода от знаний к алгоритму и
корректировка всего проекта. Решения, которые существуют на рынке, не
располагают такими возможностями. Во время эксплуатации ТОУ меняется в
результате устаревания оборудования и замены его новым. Часто заказчик выдвигает
дополнительные требования к системе АСУТП во время эксплуатации. В таких
случаях необходима полная или частичная переработка проекта иногда сопоставимая
по затратам с новым проектом такого же масштаба.
Как известно, в системотехнике последние 10 – 15 лет в отличие от традиционного (функционального) подхода [7],
утвердился объектно-ориентированный подход к созданию систем [8,9].
ClearSCADA как инструмент
проектирования на всех уровнях поддерживает основные достоинства ООП -
все сущности проекта системы представляются
в виде объектов с набором свойств и методов, доступ к которым осуществляется
согласно правам пользователей. ClearSCADA поддерживает концепции ООП:
наследование и полиморфизм.
Как
клиент-серверное приложение ClearSCADA поддерживает сценарии двух
типов: исполняемые на сервере и исполняемые клиентом. В качестве языка сценария
для клиента выступает расширенный функциями ClearSCADA VB. В
качестве языков серверных сценариев могут выступать языки стандарта IEEC006
например FBD,LD,ST т.е. все языки посредством
которых обычно осуществляется программирование логики контроллеров. Клиентские
скрипты служат для расширения базовых возможностей интерфейса пользователя и
исполняются на АРМах. Серверные скрипты используются для описания моделей и
исполняются они непосредственно на сервере. Кроме того, возможен доступ к
объектам ClearSCADA из сторонних приложений. При установке в системе
регистрируются системные VB библиотеки с набором
функций доступа к объектам ClearSCADA, таким образом, возможен обмен данными,
например с пакетом MSOffice.
Одно
из важных свойств графики в ClearSCADA это использование т.н. слоев, что
позволяет, во-первых, накладывать на одну подложку несколько различных аспектов
функционирования объекта (что важно, когда на одной мнемосхеме необходимо нужно
разместить большое количество информации), а ,во-вторых, вести одновременную
разработку мнемосхемы не боясь испортить рисунок коллеги.
ClearSCADA
является открытой системой т.к. позволяет получать доступ к системным объектам
посредством различных стандартных интерфейсов, а не только встроенным клиентом.
Для обмена данными реального времени используется OPC интерфейс, для получения
исторических данных добавлен OPCHda сервер, что позволяет
использовать в качестве источников РВ данных другие подсистемы сторонних
производителей. Также в комплекте
предоставляется специальный инструментарий для разработки новых типов драйверов
для различных типов источников данных (ПЛК).
Архитектура и средства проектирования ClearSCADA
В
ClearSCADA используется архитектура (рис. 3), которая была специально
разработана для поддержки распределенных систем телеметрии и сбора данных, и
хорошо согласованная со структурой и потоками данных и управления в традицион-
ных АСУТП. Формально пакет ClearSCADA состоит из набора служб для
конструирования и поддержания операторского интерфейса обмена и хранения данных
и нескольких утилит конфигурирования. Рассмотрим их. (см. [7-8])
Рис 2. Архитектура ClearSCADA
Сервис для создания и отладки проектов в ClearSCADA(вершина
в пирамиде на рис. 2): созда- ния
моделей, мнемосхем, тэгов, операторского интерфейса и т.д. - родной клиент.
Собственно SCADA (средняя часть пирамиды рис. 2) располагается на
сервере, где выполняется ядро системы, обеспечивающее доступ к СУБД и реализацию
логики объектов. БД системы можно разделить на две части: - БДРВ обеспечивающая
обмен данных с контроллерами и БД (через Eternet и ModBUS), где хранятся системные
объекты и пользовательские настройки. Эти функции обеспечивают следующие
компоненты:
-
Утилита
для конфигурирования соединений сервера СУБД, настройки резервирования и перенаправления
трафика.
-
Утилита
для запуска и останова сервера СУБД, сервера лицензий, сервера печати и сервера
портмапинга.
-
Программа
для настройки поведения СУБД
По умолчанию система настроена для работы на
одноядерном компьютере с одной БД. Чтобы получить доступ к функциям системы
необходимо запустить ViewX клиент либо обычный браузер
с установленной компонентой ActiveX Главное достоинство - ClearSCADA как инструмент проектирования на всех уровнях поддерживает
основные достоинства объектно-ориентированного проектирования.
Основной задачей разработчиков ClearSCADA
было упростить интерфейс проектировщика и сократить время проектирования. В
результате реализована ООП концепция представления данных и объектов системы.
Древовидное представление структур и описаний позволяет быстро ориентироваться
в сложных проектах. Карточка объекта, в которой перечисляются все его свойства
и методы с подсветкой ошибок пользователя, позволяет легко настроить нужные
параметры. Возможность совместной работы над одним объектом позволяет разделять
обязанности проектировщиков. Клиент серверная архитектура позволяет вносить
изменения и отлаживать проект удаленно. Мощные механизмы работы с графикой с
поддержкой динамического масштабирования и слоев позволяют рисовать сложные и
при этом интуитивно понятные интерфейсы оператора.
ClearSCADA
поддерживает концепции ООП: наследование и полиморфизм. Пользователь может
объявить собственный тип объекта с методами и полями как структурированный
набор предопределенных «атомарных» типов. А затем создавать экземпляры классов
этого объекта с наследуемыми свойствами и методами. Модифицированный экземпляр
класса в свою очередь может стать родителем нового типа. Таким образом,
единожды разработав библиотеку объектов, проектировщик может пользоваться ей в
нескольких проектах. Такое решение позволяет значительно ускорить разработку,
как мнемосхем, так и логики сложных объектов. Эти же возможности полезны при формировании
сети ПЛК и структуры подключения датчиков, а поддержка динамического масштабирования
позволяет создавать интуитивно понятную визуализацию объекта.
Оператор
может управлять ходом ТП посредством любого доступного интерфейса. В качестве базовых
используются ViewX и WebX. Все действия пользователя регистрируются, что
позволяет анализировать действия пользователя в той или иной ситуации. Все
критические события квитируются оператором. Если оператор по какой то причине
не находится на рабочем месте, система в автоматическом режиме перенаправит
тревогу на пейджер, Е-мэйл или телефон.
Исторические данные по процессам сохраняются
в соответствии с пользовательскими настройками точек съема. Для каждой переменной
можно задать интервал сохранения данных, и методы (по изменению, адаптивный,
непосредственное сохранение «сырых» данных), чувствительность (например,
сохранять данные при изменении в % отношении и т.д.) Реализован OPC HDA
интерфейс для интеграции с другими приложениями и последующего анализа в приложениях
сторонних разработчиков.
В
ClearSCADA встроены механизмы позволяющие формировать отчеты в табличном виде
(т.н. листы) и виде графиков. Графики формируются простым перетаскиванием на
рабочую область точек ввода-вывода или логических переменных на рабочую область
графика. При этом происходит автоматическое масштабирование, и при размещении
нескольких точек одновременно возможно наложение графиков.
Листы
могут быть сформированы автоматически по всему проекту или по конкретному
объекту. Они поддерживают сортировку и пользовательские фильтры. Лист – это не
статичная таблица, а набор объектов, поэтому из него можно напрямую обращаться
к переменным и вызывать их методы. Также поддерживаются отчеты в Crystal
Reports фактически являющихся стандартом для АСУТП и бизнес систем.
Посредством
ODBC возможен экспорт данных и публикация отчетов в формате M$ Excel
ClearSCADA сервер фактически является еще и
Web сервером , предоставляющим информацию в виде XML или HTTP. Web интерфейс
обладает полной функциональностью VewX клиента, но не позволяет изменять
данные. Для корректного отображения данных необходимо поставить набор библиотек
ActiveX из дистрибутива ClearSCADA. Для обеспечения безопасности соединения
есть возможность включить SSL шифрование для Web доступа.
ClearSCADA позволяет задавать условия
генерации алармов в виде секвенций событий. Для всех объектов объявляются т.н.
события (аналогично модели событий в операционных системах) которые являются
инициаторами того или иного действия в т.ч. и алармов. Алармы структурируются с
помощью приоритетов (важности), по времени и по объекту породившему аларм.
Интересны механизмы визуализации алармов. Первый - это «аларм лист» он
отображает все алармы системы. Второй, т.н. «аларм баннер», он отображает
алармы в соответствии с пользовательским настройками, т.е. только те, которые
востребованы конкретным оператором. С любого из них можно перейти на объект,
который породил аларм или акцептовать его. Акцепт это подтверждение оператора,
что он увидел и отработал событие. В ClearSCADA существует мощный механизм
перенаправления алармов, позволяющий например, отправить сообщение на пейджер
или позвонить оператору, если происходит критическое отклонение
ClearSCADA поддерживает стандартный механизм
аутентификации пользователей и систему безопасности аналогичной Windows.
Настройки безопасности определяются на уровне ресурсов и групп. Поддерживается
наследование правил доступа. Как обычно поддерживается стандартная группа
правил просмотр/изменение. Дополнительно к каждому объекту в зависимости от его
свойств добавляются различные правила. Например, для точки съема данных можно
выставить правило для различных пользователей «возможность ручной подстройки».
Существует специальный встроенный инструмент
прогнозирования, который позволяет строить прогноз значения технологических
параметров на заданный интервал времени вперед на основе исторических данных,
хранящихся в БД, или по заданной функции. Возможно отображение этих данных в
виде тренда и наложение на реальные данные для прогноза и анализа ситуации
Как клиент-серверное приложение ClearSCADA
поддерживает сценарии двух типов: исполняемые на сервере и исполняемы клиентом.
В качестве языка сценария для клиента выступает расширенный функциями
ClearSCADA VB. В качестве языков серверных сценариев могут выступать языки стандарта
IEEC006 например FBD,LD,ST т.е. все языки посредством которых обычно осуществляется
программирование логики контроллеров. Клиентские скрипты служат для расширения
базовых возможностей интерфейса пользователя и исполняются на АРМах. Серверные
скрипты используются для описания моделей и исполняются они непосредственно на
сервере.
ClearSCADA
– открытая система. Несмотря на то, что она не позволяет использовать внешние СУБД
в качестве системной БД, она предоставляет полный доступ к своей БД посредством
ODBC драйвера и OPC протокола. Определенные на сервере функции над объектами
можно вызывать как хранимые процедуры. Помимо стандартных переменных ввода-вывода (тэгов) ClearSCADA предоставляет
все созданные на сервере объекты. Имеется возможность использовать внешние СУБД
как источники данных.
ClearSCADA при установке регистрирует в
системе VBA библиотеки с функциями доступа и управления сервером. Таким образом
можно интегрировать в стандартные Word или Excel отчеты данные получаемые с
контроллеров.
В ClearSCADA существует встроенный механизм
резервирования и перенаправления данных. Два и более серверов могут работать в
спаренном режиме, при отключении несущего, резервный сервер получает управление
и данные не теряются. Для управления нагрузкой на сервера поддерживается
механизм перераспределения трафика. Это позволяет спланировать и организовать
загрузку сетевых ресурсов.
Как
уже отмечалось, в качестве основных источников данных РВ все SCADA
используют, как правило, контроллеры. ClearSCADA поставляется с комплектом
драйверов, которые запускаются как системные службы. Поддерживаются следующие
типы поставщиков данных (протоколы).
Также в комплекте предоставляется специальный
инструментарий для разработки новых типов драйверов. Необходимо отметить, что
поставляемые драйвера делятся на две группы простые (simple) и расширенные
(advanced). Простые драйвера это службы для получения информации по базовым
протоколам (напр. MODBus), а расширенные драйвера – это надстройки к базовым,
которые предоставляют дополнительные возможность для опр. типа контролеров
поддерживающих современные протоколы (напр DNP3).
Заключение
ClearSCADA является принципиально новым
продуктом на рынке. Похожие технологии сбора, обработки и визуализации данных
встречаются и у конкурентов. Однако, это первая система нового поколения,
которая собрала в лучшие черты современных систем. Главное достоинство - ClearSCADA как инструмент проектирования на всех уровнях поддерживает
основные достоинства объектно-ориентированного проектирования. Все сущности
проекта системы представляются в виде
объектов с набором свойств и методов, доступ к которым осуществляется согласно
правам пользователей. Масштабируемость,
надежность, высокую скорость обработки данных. Это первый продукт, который
ориентируется не только на заказчика, но и на разработчика, позволяющий
поддерживать цикл разработки проектов на качественно новом уровне.
Объектно-ориентированная архитектура позволяет легко моделировать реальные
объекты в терминах понятных как заказчику, так и разработчику. Современный HMI
позволяет создавать интуитивно понятные интерфейсы оператора, а открытая архитектура
позволяет интегрировать эти интерфейсы с другими системами предприятия. Ниже
приводится короткая табличка преимуществ ClearSCADA.
ClearSCADA локализована к российскому рынку
систем автоматизации в Институте проблем управления им. Трапезникова РАН при
спонсорской поддержке ООО «PLC- системы». В Институте
ведутся работы по развитию ClearSCADA в направлении усиления ее
«управленческой» составляющей, путем включения приложений, реализующих
современные методы автоматического регулирования, моделирования динамики
процессов, интеллектного и событийного логического управления.
Литература
1. Куцевич
Н. Компонентные
технологии в системах промышленной автоматизации //Открытые системы, 1999, №4.
2. Альперович И., Толмасская И. АСУ ТП из
коробки //Компьютерная неделя №8 (82), 1997.
3. Ицкович
Э.Л. и др. Опыт использования открытых SCADA-программ
//Промышленные АСУ и контроллеры. 1999,
№11, с.36-38.
4. Аншина
М.Л. Предприятие как единый
объект автоматизации. Размышления на тему // и системы связи, №1, 1998,
с.48–55.
5. Полетыкин
А.Г., Бывайков М.Е., Менгазетдинов Н.Э., Байбулатов А.А. Основные решения по созданию
системы верхнего (блочного) уровня АСУТП АЭС //Ядерные
измерительно-информационные технологии. 2004. №1-2.
6. http://www.tracemode.com/products/dev/scada/
7. www.controlmicrosystems.com. Официальный сайт Clntrol Microsystems.