Визуализация в современных АСУТП

Введение
Мы сегодня живём на рубеже смены эпох в области IT технологий. Системы визуализации, основанные на стандарте HTML5, позволяют отображать информацию не только на привычных мониторах, но и на планшетах, мобильных телефонах и других устройствах. Всё большее распространение находит новый протокол OPC UA, обеспечивающий транспорт данных в гетерогенных IP сетях. Исполнительные системы становятся кроссплатформенными, что обеспечивает горизонтальную переносимость прикладных программных решений. На первый взгляд, всё перечисленное лишь расширяет прежние возможности. Благодаря HTML5 увеличился спектр устройств, которые можно использовать для визуализации. OPC UA – ещё один новый протокол. Кроссплатформенность облегчает перенос программных решений с одного устройства на другое. В чём же здесь революционность? Что прорывного в этих технологиях? Сами по себе новые технологии ещё не являются революцией, но они служат основой для систем нового поколения. Совокупность этих технологий даёт возможность построения систем, обладающих не только горизонтальной, но и свободной вертикальной переносимостью программных компонентов проекта, чего не было ранее.Большую роль в повседневной жизни играют разного рода товары и услуги. Оказание различных услуг, производство товаров включает в себя различные процессы. В большинстве случаев бесконтрольное протекание процессов недопустимо из-за возможного нанесения травм, материального ущерба, создания аварийной ситуации. Технологические процессы автоматизируются с использованием современной вычислительной техники, что позволяет точнее выставлять температуру в печи, к примеру, снижая расходы на топливо. Сегодня могут развиваться, конкурировать на рынке только те производители, которые используют современную технику, обеспечивая автоматизацию технологических процессов. По этим причинам все большее распространение получают различные автоматизированные процессы на производстве. Автоматизация технологических процессов начиналась с разработки САР систем (Система Автоматического Регулирования). САР обеспечивали управление отдельными параметрами, агрегатами. Техника начинает отслеживать значения отдельного параметра, программно управлять процессом, стабилизировать различные параметры технологических процессов. Дальнейшее развитие науки и техники приводит к созданию САУ (Система Автоматического Управления ). Объектами управления становятся системы. САУ становятся способными воспроизводить сложные законы управления или регулирования, появляется возможность идентификации объектов и состояния системы.
Системы включают в себя измерительные системы, исполнительные механизмы, средства отображения информации. Человек все больше удаляется от технологического процесса. Дальнейшее развитие науки и техники приводит к распространению вычислительной техники. Вычислительная техника автоматизирует технологические процессы. Появляется АСУ ТП ( Автоматизированная Система Управления Технологическим Процессом ) Сначала использовались микроконтроллеры, автоматизирующие технологические процессы.
Современный этап развития АСУТП характеризуется применением индустриальных технологий создания и внедрения АСУТП на базе серийно выпускаемых промышленных контроллеров, совместимых с персональными компьютерами и мощных программно-техничесих комплексов (ПТК) поддержки программирования АСУТП – SCADA систем, а также развития и стандартизации сетевых технологий. Главным «двигателем» необратимых изменений в современном информационном пространстве становится резкая и неожиданная смена «информационных приоритетов» в общественном, профессиональном и межличностном общении и сознании, которая заключается в растущем коммуникативном преобладании визуальной информации вербальной. Эта принципиально новая тенденция в современном мире вызвана, в первую очередь, революционным развитием цифровых кибернетических средств. Передача визуальной информации, которые не только непрестанно создаются и усовершенствуются, но и активно встраиваются во все возможные (и даже совершенно неожиданные) приборы, механизмы и гаджеты,превращаются в «регистраторы», коммуникаторы», «виджеты» и т.п. (ср. последние изобретения в этой области — «планшетофон» и «телефонография»). Которые не могут не оказывать влияния на социальное взаимодействие, межличностное общение и особенно — на принципы и методы восприятия нового, «интегрального» типа информации. Мощный прорыв в «визуализацию» информации произошел благодаря созданию целого комплекса инновационных технологий, таких, как «touch-screen», «multitouch» и др. («тачскрин» — это сенсорный экран электронного устройства, графический интерактивный интерфейс, обладающий рядом уникальных характеристик, главная из которых
— частичная или полная замена текста картинкой, изображением, рисунком и т.п.). Потрясающее удобство при пользовании, комфорт и доступность понимания при работе с тачскринами делают их востребованными во все большем количестве разнообразных видов деятельности. При этом мир сенсорных технологий активно расширяется и развивается, не случайно их реклама призывает: Одним из наиболее перспективных развитий технологии тачскрин стала технология «multitouch» («мультитач»), которой все более активно оснащаются не только ноутбуки и смартфоны, но и множество различных профессиональных демонстрационных, конструкторских и т.п. стендов, и которая позволяет значительно ускорить процесс дизайнерской работы и открывает новые невиданные креативные возможности. Широкое внедрение мультитач-технологий в разнообразные производственные и особенно информационные процессы началось в 2009 г.
Другое новейшее «социотехнологическое» веб- и кибер-направление в данной области —разработка разнообразных профессиональных и мобильных общедоступных приложений к ай-фонам, айподам и т.п. [6], а также использование мультитач-панелей в создании трехмерных, объемных моделей и макетов реальных объектов, образующих замкнутое пространство, под названием «искусственное зрение», с целью визуализации принципов управления вертолетов, так и совместно с системами виртуальной и смешанной реальностей как дополнительные информационные системы и элементы интерфейса.
Визуализация технологических процессов (ТП) является базовой составляющей человеко-машинного интерфейса АСУ уровня SCADA. Задачей визуализации является, прежде всего, отображение текущих (мгновенных) значений контролируемых технологических параметров и событии. Эта часть прикладного ПО АСУ обычно называется его графической составляющей. Визуализация ТП обычно представляется набором графических экранов, содержательной частью которых, прежде всего, являются мнемосхемы, панели приборов и индикаторов. Совокупность мнемосхем являются содержимым рабочего стола - главного окна программы. Расположение элементов рабочего стола (мнемосхем) настраивается пользователем. Визуализация является базовой составляющей супервизорного управления, при котором в качестве элементов управления используются объекты графических экранов. Расширениями задачи визуализации является представление на графических экранах трендов и текстовых данных по наступившим и свершенным событиям, требующим контроля обслуживающего персонала (тревогам). При этом интерфейс визуализации может быть однооконным и многооконным. Как и для математической части, реализация графической составляющей прикладного ПО (графической базы данных) определяется используемой инструментальной системой. При этом, в общем случае, решается две задачи программирования: создание содержимого графических экранов в виде набора графических элементов и деноминация графических элементов.
Цель нашей работы: Оценка визуализации в автоматизированных системах управления технологическими процессам. Обзор диспетчерских пультов/панелей управления, видеостены, и выявление основных проблем в функционирование данных систем. Анализ тенденций программно – технических средств в области визуализации АСУ ТП
Задачи:
Раскрыть сущность визуализации современных АСУ ТП
Классификация диспетчерских пультов/панелей, видеостен;
Обзор современных визуализаций тренажеров виртуальной реальности, и обучение персонала
Выявление основных проблем в функционирование систем виртуальной реальности
Тенденции и развитие программно – технических средств.
Нормативные ссылки
В реферате использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 7.0.3-2006 Система стандартов по информации, библиотечному и
издательскому делу. Издания. Основные элементы. Термины и определения.
Статья одного автора:
[1] Амблер, С. Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки / С. Амблер. - М.: СПб: Питер, 2005. - 416 c.
Статья трех авторов:
[2] Бабенко, Л.К. Новые технологии электронного бизнеса и безопасности / Л.К. Бабенко, В.А. Быков, О.Б. Макаревич, и др.. - М.: Радио и связь, 2001. - 376 c.
[3] Галицкий, А.В. Защита информации в сети - анализ технологий и синтез решений / А.В. Галицкий, С.Д. Рябко, В.Ф. Шаньгин. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 615 c.
Статья одного автора:
[4] Герасевич Блоги и RSS: интернет-технологии нового поколения / Герасевич, Виталий. - М.: СПб: BHV, 2006. - 256 c.
[5] Дашков, Л. Коммерция и технология торговли / Л. Дашков, В. Памбухчиянц. - М.: Дашков и К, 2002. - 596 c.
Статья двух авторов:
[6] Дашков, Л.П. Организация, технология и проектирование торговых предприятий / Л.П. Дашков, В.К. Памбухчиянц. - М.: Маркетинг, 1995. - 257 c.
[7] Информационная поддержка жизненного цикла изделий машиностроения. Принципы, системы и технологии CALS/ИПИ / А.Н. Ковшов и др. - М.: Academia, 2007. - 304 c.
Статья одного автора:
[8] Информационные технологии. Основы работы с реляционной БД Oracle. - М.: McGraw-Hill, 2002. - 2200 c.
[9] Калашников, В.И. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин, и др.. - М.: Высшая школа, 2002. - 454 c.
Термины и определения
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) — группа решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях.
Автоматизированное рабочее место (АРМ): Программно-технический комплекс автоматизированной системы, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида.
Архивированная (архивная) информация (архив): Сохраненная в базе данных информация зарегистрированных параметров и событий АСУ ТП для обеспечения возможности оперативного и ретроспективного анализа состояния и режимов работы оборудования.
База данных (БД): Совокупность специально организованных хранимых данных, относящихся к определенному объему или кругу деятельности, обновляемых и логически связанных между собой.
Программно-аппаратный комплекс — это набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких сходных задач.
Аппаратно-программный комплекс — техническое решение концепции алгоритма работы сложной системы, управление которой осуществляется, как правило, исполнением кода из определённого базового набора команд (системы команд)
CALS-технология – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта, создание единой информационной среды для процессов проектирования, производства, испытания, поставки и эксплуатации продукции
Концепция CALS - набор правил, регламентов, стандартов, в соответствии с которыми строится информационная («электронная») система управления качеством предприятия.
Основные бизнес-процессы в АСУ ТП – это определенное направление деятельности предприятия: производство продукции, сервисное обслуживание, оказание услуг.
Вспомогательные бизнес-процессы – это процессы, связанные с решением внутренних задач предприятия по обслуживанию основных бизнес-процессов.
Бизнес-процессы управления – система планирование деятельности предприятия, организация производства, контроль.
Бизнес-процессы сети (взаимодействие с поставщиками и потребителями). Системами «виртуальной реальности» называются устройства, которые более полно по сравнению с обычными компьютерными системами имитируют взаимодействие с виртуальной средой, путём воздействия на все пять имеющихся у человека органов чувств.
Симулятор пульта диспетчерской централизации – это программа из небольших по объему мнемосхем, но она позволяющая обратиться в какой либо процесс.
Мнемосхема (схема в мнемонической форме): графическая модель, отображающая динамически изменяющуюся схему управляемого оператором объекта на АРМ или на средствах отображения коллективного пользования (мнемощит, видеостена).
Мониторинг: Непрерывное наблюдение и регистрация параметров состояния и функционирования контролируемого объекта с помощью средств автоматизации.
Промышленная сеть— сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации
Человеко-машинный интерфейс (HMI) — широкое понятие, охватывающее инженерные решения, обеспечивающие взаимодействие оператора с управляемыми им машинами.
SCADA-система – это программный пакет для сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте управления.
Сокращения
АСУ - автоматизация систем управления
АСУ ТП – автоматизация системы управления технологическими процессами
ИАСУ – интегрированная автоматизированная система управления
ИТ – информационные технологии
ИПИ - информационная поддержка жизненного цикла продукции
ИИС – интегрированная информационная среда
ЕИП – единое информационное пространство
ЖЦ – жизненный цикл изделия (продукции)
ИЭТР – интерактивное электронное техническое руководство
АР ИЭТР – программное обеспечение для автоматизированной
разработки ИЭТР
АСУП – автоматизированная система управления предприятием
(производством)
ИЛП – интегрированная логистическая поддержка
ЛА – логистический анализ
МТО – материально-техническое обеспечение
ТОиР – техническое обслуживание и ремонт
СИЛП – специальное программное обеспечение для ИЛП
СЛА – специальное программное обеспечение для ЛА
САПР-К – конструкторская система автоматизированного проектирования
САПР-Т – технологическая система автоматизированного проектирования
ЭЦП – электронная цифровая подпись
УПр – управление проектом
УПР – управление потоком работ
УКч – управление качеством
УКф – управление конфигурацией
УДИ – управление данными об изделии
ВП – виртуальное предприятие
МО – математическое обеспечение
БД – база данных
ОБД – общая (интегрированная) база данных
ИО – информационные объекты
ОБДИ – общая база данных об изделии (изделиях)
ОБДП – общая база данных о предприятии
КТЭ – конструктивно-технологические элементы
ЛПР – лицо, принимающее решение
СУБД – системы управления базами данных
ЭЭД – электронная эксплуатационная документация
ЭРД – электронная ремонтная документация
ЭТД – электронный технический документ
ПЗ – планирование закупок
ЭСО – электронная система отображения
ПИ – параллельный инжиниринг
ОМРГ – общественная многопрофильная рабочая группа
МПГ – многопрофильные рабочие группы
ФМ – функциональная модель
КТПП – конструкторская и технологическая подготовка производства
ПЭОИ – полное электронное описание изделия
ООЦ – отраслевой образовательный центр
ОКЦП – отраслевая комплексная целевая программ
Раздел I. АСУ ТП на предприятиях
1.1 Общие положения
1.1.1 Структура АСУ ТП и основные понятия
Последнее десятилетие ХХI века характеризуется широкой компьютеризацией всех видов деятельности человечества: от решения традиционных интеллектуальных задач научного характера до автоматизации производственной, торговой, коммерческой, банковской и других видов деятельности. Этой всеобщей тенденции способствовало появление и массовое применение персональных компьютеров, а также средств телекоммуникаций и вычислительных сетей, в том числе «всемирной паутины» – сети Интернет. Эти факторы сделали актуальной проблему развития и эффективного использования информационных ресурсов – как локальных, так и общенациональных и даже глобальных. Уже в 80-е годы было осознано, что информационные ресурсы любой страны по стоимости соизмеримы и, быть может, превосходят стоимость природных, в том числе энергетических ресурсов [1].
Стало ясно, что устоять в конкурентной борьбе смогут только те предприятия, которые будут применять в своей деятельности современные информационные технологии (ИТ). Именно ИТ наряду с прогрессивными технологиями материального производства позволяют существенно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции при значительном сокращении сроков постановки на производство изделий, отвечающих запросам и ожиданиям потребителей. [1]
Однако в тот же период было осознано, что частичная, фрагментарная компьютеризация отдельных видов производственной деятельности, будучи делом дорогостоящим, не оправдывает возлагаемых на нее надежд. Это связано с тем, что первые реализации ИТ представляли собой попытки внедрения качественно новых средств в традиционную технологическую среду. Эти попытки либо полностью отторгались, либо адаптировались к этой среде таким образом, что эффект от их использования был невелик. Примерами таких попыток могут служить:
многочисленные АСУ, роль которых сводилась к автоматизации простейших учетных и отчетных функций;
конструкторские САПР (CAD – Computer Aided Design), заменявшие чертежную доску и кульман экраном дисплея;
технологические САПР (CAM - Computer Aided Manufacturing),
облегчавшие подготовку технологической документации и
управляющих программ для станков с ЧПУ;
автоматизированные системы инженерных расчетов (CAE -
Computer Aided Engineering) и т.д.
Все эти средства создавались на различных вычислительных платформах, в различных языковых средах и, как правило, были несовместимы между собой, что предопределяло их автономное использование с необходимостью многократной перекодировки подчас одной и той же информации для ввода ее в ту или иную систему. Помимо резкого возрастания объемов рутинного труда, это приводило к многочисленным ошибкам и, как следствие, к снижению эффективности систем. [3]
Вместе с тем, опыт, накапливавшийся в процессе создания и разработки автономных систем, оказался полезным: он позволил осознать необходимость интеграции систем, реализующих различные ИТ, в единый комплекс, который в отечественной технической литературе получил название ИАСУ – (интегрированная автоматизированная система управления), а в англоязычной литературе – СIM (Computer Integrated Manufacturing).
Как только появились первые средства автоматизации, производители аппаратного и программного обеспечения пытаются определить, как будет развиваться автоматизация в будущем. Для этого предлагаются различные решения и подходы по совершенствованию автоматизированного процесса управления. Практически все функции при автоматизации реализуется программно, вся информация проходит соответствующую обработку в управляющем вычислительном комплексе. Именно поэтому важнейшим компонентом АСУ ТП является программное обеспечение. Оно представляет собой комплекс различных программ, обеспечивающих функционирование всех цифровых вычислительных средств АСУ ТП (контроллеры, серверы, рабочие и инженерные станции), а также решающих все функциональные задачи на этапах разработки, наладки, тестирования и эксплуатации системы.
У каждого предприятия своё направление работы, специфика, оборудование. Программное обеспечение АСУ ТП на предприятии разрабатывается в зависимости от поставленных задач. Существуют стандартные пакеты, которые необходимо только настроить на конкретное предприятие. Программное обеспечение АСУ ТП его виды, комплекс программ АСУ ТП состоит из двух типов: первый тип , это общее программное обеспечение — подходит для всех технических средств и не привязывается к какому-либо одному объекту. К этому типу относят операционные системы, SCADA-системы (рисунок 1.1), пакеты программ для контроллеров, компиляторы, редакторы. Программное обеспечение покупается и поставляется, как и другие технические средства. Второй тип, специальное программное обеспечение — это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП, и они отвечают за следующие этапы:
Планирование ресурсов предприятия.
Организационная стратегия интеграции производства и операций.
Управления трудовыми ресурсами и финансами.
К этому виду относятся ресурсы, полученные из SCADA-системы. Это графический интерфейс, который позволяет построить и отобразить технологические процессы. Все эти программные продукты обеспечивают работу отдельного предприятия.
Рисунок 1.1 – Операторская панель SCADA-системы
Назначением такого программного пакета, как система СКАДА, является сбор и обработка, а также хранение информации, предназначенной для контроллеров и исполнительных устройств. Технологии СКАДА в настоящее время считаются наиболее перспективными в плане автоматизированного управления и диспетчеризации объекта. Они получили применение в самых различных областях промышленности, в госструктурах, в оборонном комплексе и в космической отрасли.
К основным задачам, которые возлагаются на SCADA-системы, относятся:
Взаимодействие с информацией, полученной в режиме real time.
Обеспечение обмена информацией между устройствами для ввода-вывода и эксплуатируемым объектом (исполнительным механизмом либо контроллером).
Поддержка базы данных с технологической информацией.
Обеспечение логического управления.
Отслеживание нештатных событий, активация тревожного сигнала.
Обеспечение взаимодействия с электронными таблицами, подключенными СУБД и иными внешними приложениями.
В обоих случаях верхний уровень АСУ ТП обеспечивает сбор, а также архивацию важнейших данных от ПЛК, их визуализацию. То есть наглядное (в виде мнемосхем, часто анимированных) представление на экране параметров происходящего процесса. [9]
Если принять в качестве объекта управления первичные производственные технологии, то в системе управления любого современного промышленного предприятия (любой отрасли) можно выделить пять уровней. Рассмотрим их более подробно. Первым, низшим, уровнем систем управления является АСУ ТП. В свою очередь, для удобства рассмотрения, АСУ ТП можно представить в виде нескольких подуровней иерархии (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Иерархия уровней асу тп
Самым нижним уровнем «0» является уровень датчиков и исполнительных механизмов, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Исполнительные механизмы – это все, что воздействует на объект управления: приводы, насосы, клапаны и так далее.
Следующий уровень АСУ ТП – это управление данными (англ. data management) — процесс, связанный с накоплением, организацией, запоминанием, обновлением, хранением данных и поиском информации.
Сегодня в большинстве случаев становится экономически целесообразной установка на площади цеха или участка нескольких локальных контроллеров или интеллектуальных устройств сопряжения с объектом (УСО), объединенных в единую сеть, чем прокладка разветвленных кабельных систем для аналоговых сигналов. УСО объединяет в себе функции АЦП и ЦАП, а также позволяет подключиться к промышленной информационной сети.
Таким образом, подуровень АСУ ТП управление данными реализует следующие функции:
передачи данных, между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами;
диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов;
передачи данных между датчиками и исполнительными механизмами минуя центральный контроллер;
связи между датчиками, исполнительными механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня;
связи между контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса (операторскими системами).
Подуровень АСУ ТП управление группами. На этом уровне сосредоточены все управляющие функции для одного или нескольких звеньев технологической установки, такие как обработка измеренных величин, управление, регулировка, обслуживание и контроль, а также функция защиты.
Связь с ниже лежащим уровнем обеспечивает получение контроллером информации от датчиков и передачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы

. Так как возможны различные условия и требования к данной связи то практические решения колеблются от передачи аналогового сигнала до использования промышленной информационной сети. На этом подуровне человек может наблюдать за деталями рабочего процесса и при необходимости корректировать их, то есть осуществляется человеко-машинный интерфейс.
Человеко-машинный интерфейс (HMI)
Понятие HMI включает в себя создание рабочего места оператора: стола, или пульта управления, размещение приборов и органов управления, освещение рабочего места. Также в это понятие входят действия оператора с органами управления, их доступность и необходимые усилия, согласованность (непротиворечивость) управляющих воздействий и «защита от дурака», расположение дисплеев и размеры надписей на них.
Визуализация и диспетчерское управление является следующим уровнем управления после АСУ ТП. На нем целые группы отдельных операций стыкуются в частичный процесс. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Атрибутом этого уровня является диспетчерский центр. Он выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство ход автоматического управления, а также обеспечивает диалог между системой и операторами. В прошлом диспетчерское управление подразумевало голосовое управление или, в лучшем случае, мнемосхемы производства. В настоящее время, в связи с развитием АСУ ТП и переходом на цифровое управление, диспетчерское управление осуществляется с помощью SCADA-систем.
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам контроля и управления всем производством, или технологическими комплексами.
Основные задачи, решаемые SCADA-системами:
обмен данными с УСО(устройства связи с объектом, т.е. с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы;
обработка информации в реальном времени;
отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме;
ведение базы данных реального времени с технологической информацией;
аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями;
подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
осуществление сетевого взаимодействия между SCADA и компьютерами;
обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т.д.).
В настоящее время SCADA является основным и наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами).
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) может быть представлена в виде набора подсистем и элементов имеющих между собой определенные связи и отношения. В информатике принято характеристику системы, отражающую ее состав, иерархию и связи, реализующие отношения между уровнями и компонентами называть архитектурой.
По своей архитектуре АСУ ТП делятся на две группы: централизованные и распределенные системы.
Централизованная система управления состоит из центрального управляющего компьютера (контроллера), который управляет групповыми контроллерами, к которым, в свою очередь, подключены датчики и исполнительные механизмы. [3]
Распределённая система управления (англ. Distributed Control System,DCS) — система управления технологическим процессом, характеризующаяся построением распределённой системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных (рисунок 1.3).
Рисунок 1.4 – Структура АСУ ТП
Характерной особенностью таких систем является применение информационных сетей: промышленных сетей(field bus) и офисных сетей (Ethernet). Промышленная сеть(field bus)— термин АСУ ТП, под ним понимается сеть передачи данных, связывающая различные датчики исполнительные механизмы, промышленные контроллеры.
Часто промышленную информационную сеть называют «полевая шина», что является дословным переводом с английского field bus, хотя термин «Промышленная сеть» более правильный и адекватный перевод. Промышленная сеть представляет собой, обычно витую пару, к которой параллельно подключаются все устройства.
Распределенные системы состоят из множества территориально разнесенных контроллеров(управляющих устройств) и модулей ввода-вывода(УСО). При таком подходе структура распределенной системы и структура алгоритма ее работы становятся подобны структуре самого объекта автоматизации. Функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества контроллеров. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления.
В частности, современное технологическое оборудование, как правило, выпускается с уже встроенными контроллерами с возможностью подключения к промышленной сети.
Тенденция децентрализации управления и приближения контроллеров к объектам управления является общей для всех систем автоматизации. Кроме того, сосредоточенная система является частью или частным случаем распределенной, поэтому появление распределенных систем является следствием естественного развития от частного к общему.
Распределенную систему управления ( DCS) можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи. В предельном случае элементы системы могут находиться на разных континентах земного шара, а связь между ними может выполняться через интернет. В качестве «множества устройств» могут выступать любые микропроцессорные устройства, например, программируемые логические контроллеры (ПЛК)или разнесенные в пространстве модули ввода-вывода одного контроллера. Однако в последнем случае только сбор данных можно рассматривать как распределенный, в то время как функция управления является сосредоточенной в одном контроллере.
Максимальные преимущества распределенной системы достигаются, когда контроллеры работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.
Таким образом, основными элементами любой современной автоматизированной системы управления технологическими процессами являются:
программируемые логические контроллеры;
промышленная информационная сеть;
устройства ввода и вывода сигналов.
Программное обеспечение SCADA-системы
Уникальное достоинство Scada-системы заключается в ее открытости. Однако возможны и закрытые варианты. Открытая система всегда лучше тем, что несмотря на все совершенство данной системы, она все равно имеет ограничение с точки зрения функциональности, поэтому требует доработок и внесения собственного программного обеспечения.
Перед IT-специалистами стоит задача установить как много больше необходимых драйверов, для свободной работы системы, для увеличения скорости передачи информации.
Это очень важная функция прикладного программного обеспечения. От скорости получения информации может зависеть весь дальнейший ход событий. Например, очень важно своевременно перевести сигнальные данные на диспетчерский пункт, чтобы предотвратить аварийные случаи на предприятии и т.п. Также драйвера расширяют свободу действия всех интеграторов АСУ ТП на предприятии и увеличивают круг ее пользователей.
Открытый характер Scada-системы делает ее наиболее конкурентоспособной среди продукции данного характера. Она является универсальной, поэтому и популярной среди предприятий разных сфер промышленности. С помощью нее можно без проблем интегрировать с другими программными приложениями более низкого уровня управления.
Самым важным моментом при создании АСУ ТП является организация такой системы управления, которая обеспечивала бы надежность и оперативную отработку аварийных ситуаций как в самой системе управления, так и в технологическом процессе.
Аварийное сигнализированное и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом. Надежность же системы управления достигается за счет горячего резервирования.
Можно зарезервировать все: сервер, его отдельные задачи, сетевые соединения и отдельные (или все) связи с аппаратурой. Резервирование происходит по интеллектуальному алгоритму: чтобы не создавать удвоенную нагрузку на сеть, основной сервер взаимодействует с аппаратурой и периодически посылает сообщения резервному серверу, который сохраняет в памяти текущий статус системы. Если основной сервер выходит из строя, резервный берет управление на себя и работает до тех пор, пока основной не приступит к работе. Сразу после этого базы данных основного сервера обновляются данными резервного. И управление возвращается основному серверу.
SCADA-системы открыты
Для дальнейшего расширения и усовершенствования и имеют для этих целей встроенные языки высокого уровня, чаще всего Visual Basic, либо допускают подключение программных кодов, написанных самим пользователем. Кроме того, к системам можно подключать разработки иных фирм, объекты ActiveX, стандартные библиотеки DLL Windows.
Для реализации этих технологий разработаны специальные инструментальные средства и специализированный интерфейс. SCADA-система может быть интегрирована с самыми разными сетями: другими SCADA-системами, офисными сетями предприятия, регистрирующими и сигнализирующими сетями (например, охрана и пожарная сигнализация) и т.п. Для эффективной работы в этой разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Одно только упоминание протокола TCP/IP уже говорит о том, что SCADA-системы могут работать и в Интернете, тем более что все более актуальной становится передача оперативной и статической информации о процессе на Web-узлы.
SCADA АСУ ТП
В заключение можно сделать вывод: понятие АСУ ТП изначально шире, чем SCADA. Когда иногда говорят о SCADA-системах, подразумевая АСУ ТП, это не совсем правильно. SCADA разрабатывались именно как системы, позволяющие предоставлять оператору информационные услуги на верхнем уровне управления технологическим процессом. Но они не могут обеспечить полностью автоматизированное управление, сверху донизу хотя бы по той простой причине, что это всего лишь программный продукт, устанавливаемый на персональном компьютере. А любой технологический процесс требует, кроме того, еще разнообразного специфического оборудования и происходит он в реальной жизни, а не в виртуальной среде.
Однако сложившаяся практика построения автоматизированных систем управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение SCADA-систем в проектировании АСУ ТП значительно упрощает жизнь разработчикам и позволяет организовать надежное и качественное управление при эксплуатации систем. [7]
Технические характеристики
1) Поддерживаемые программно-аппаратные платформы. Большинство SCADA-систем реализовано на Windows платформах. Учитывая позиции Microsoft на рынке ОС, следует отметить, что даже разработчики многоплатформных SCADA, приоритетным считают развитие своих систем на платформе Windows. Некоторые имеют широкий список поддерживаемых платформ: DOS, MS Windows, OS/2, Linux и др. В RealFlex и Sitex основу программной платформы принципиально составляет ОСРВ QNX.
2) Наличие средств сетевой поддержки. Для эффективного функционирования в разнородной среде SCADA должна иметь поддержку работы в стандартных сетевых средах (Ethernet, промышленные и т.д.) с использованием стандартных протоколов (TCP/IP и др.).
3) Встроенные командные языки. Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня типа VBA, позволяющие генерировать адекватную реакцию на события. Некоторые SCADA поддерживают языки МЭК 61131-3 для программирования задействованных в проекте контроллеров.
4) Поддерживаемые базы данных. Одной из основных задач SCADA является обработка данных: сбор, оперативный анализ, хранение, и т. д. Таким образом, в рамках создаваемой системы должна функционировать база данных. Практически все SCADA-системы, используют интерфейс ODBC для доступа к базам данных с языком запросов SQL.
5) Графические возможности. В каждой SCADA существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации. Важна поддержка стандартных функций GUI (Graphic Users Interface).
6) Открытость систем. Система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней "внешние", независимо разработанные компоненты. Открытая система должна поддерживать: стандартные ОС, сети, протоколы, веб-технологии, обмен данными. Современные SCADA-системы предоставляют набор драйверов к существующим устройствам нижнего уровня и имеют средства создания собственных драйверов
Визуализация технологического процесса является одним из базовых свойств SCADA – систем, обеспечивающим эффективное взаимодействие диспетчера и автоматизированного производства. Как правило, визуализация реализуется построением мнемосхемы технологического процесса, отображающей его текущее состояние, параметры и средства управления или построением виртуального пульта управления.
Средство визуализации представляет собой графический объектно-ориентированный редактор с набором анимационных функций. Векторная графика дает возможность осуществлять широкий круг операций над выбранным объектом. Все SCADA - системы включают библиотеки стандартных графических символов, библиотеки сложных графических объектов, обладают целым рядом других стандартных возможностей. Но, тем не менее, каждая SCADA - система по-своему уникальна и, несмотря на поддержание стандартных функций, обладает присущими только ей особенностями.
Принципы проектирования пользовательского интерфейса:
1) Узнаваемость. Назначение элементов экрана должно быть понятно диспетчеру без предварительного обучения. Необходимо учитывать принятые в данной отрасли изображения и цветовые обозначения типовых элементов: двигателей, насосов, магистралей и т.д. Не рекомендуется излишняя детализация.
2) Логичность. Операции с элементами на экране должны быть интуитивно понятны и вызывать однозначные реакции системы.
3) Восстанавливаемость. Оператор должен иметь возможность отменить своё любое неправильное действие. Используются подтверждения, отмены действий, установка контрольных точек.
4) Адаптация к опыту пользователя. Начинающий пользователь должен иметь более простой интерфейс с большим количеством подсказок.
Для построения визуализации необходим OPC – сервер. Технология OPC основана на модели распределенных компонентных объектов DCOM (рисунок 1.5). Базовым понятием этой модели является элемент данных (Item). Каждый элемент данных имеет значение, время последнего обновления (Timestamp) и признак качества, определяющий степень достоверности значения. Значение может практически любого скалярного типа (булево, целое, с плавающей точкой и т.п.) или строкой.
Время представляется с точностью 100 наносекунд. Реальная точность измерения времени обычно хуже и, зависит от реализации сервера и аппаратуры. Параметр качества предназначен для передачи клиенту информации о выходе величины за допустимые границы, отсутствии данных, ошибке связи. Может принимать значения UNCERTAIN, GOOD или BAD (не определено, хорошее и плохое), а на случай плохой – еще и расшифровку, например QUAL_SENSOR_FAILURE – неисправность датчика.

Рисунок 1.5 - – Структура ОРС-взаимодействий SCADA
Следующим является понятие группы элементов (OPC Group). Группа создается ОРС-сервером по требованию клиента, который затем может добавлять в группу элементы. Для группы клиентом задается частота обновления данных, и все данные в группе сервер старается обновлять и передавать клиенту с заданной частотой. Отдельно стоящих вне группы элементов быть не может. Клиент может создать для себя на сервере несколько групп, различающихся частотой обновления. Для каждого клиента всегда создается своя группа (кроме так называемых публичных групп), даже если состав элементов и частоты обновления совпадают. Отсоединение клиента приводит к уничтожению группы. Элементы в группе, таким образом, - это своего рода клиентские ссылки на некие реальные переменные (теги), находящиеся на сервере или физическом устройстве. Пример полного тега: Устройство1.Модуль5.АналоговыйВход3.
На верхней ступени иерархии находится ОРС-сервер. В отличие от элемента и группы он единственный является СОМ-объектом, все остальные объекты доступны через его интерфейсы, которые он предоставляет клиенту.
Режимы чтения данных из ОРС-сервера:
1) Синхронный – клиент посылает серверу запрос и ждет ответа.
2) Асинхронный – клиент отправляет запрос и переходит к выполнению других задач. Сервер после выполнения функции запросы посылает уведомление и клиент забирает данные.
Встроенные языки программирования используются в SCADA - системах для разработки сложных приложений. Первые версии SCADA - систем либо не имели подобных языков, либо эти языки реализовывали небогатый набор функций. В современных версиях SCADA - систем функциональные возможности языков становятся существенно богаче.
Два типа встроенных языков:
1) Языки, ориентированные на технологов. Функции в таких языках являются высокоуровневыми, не требующими профессиональных навыков программирования при их использовании. Расширение набора функций достигается с помощью дополнительных инструментальных средств (Toolkits). Разработка дополнительных функций выполняется обычно программистами - профессионалами.
2) Языки, ориентированные на программистов. В этом случае в качестве языков чаще всего используются VBasic-подобные языки. Разработка новых функций при втором подходе выполняется обычно разработчиками приложений (как и в традиционных языках программирования). Полнота использования возможностей встроенных языков (особенно при втором подходе) требует соответствующего уровня квалификации разработчика,
Во всех языках функции разделяются на группы, часть из которых присутствует практически во всех языках: математические функции и др. При настройке SCADA на объекте создаются программные фрагменты (скрипты), состоящие из операторов и функций языка, которые связываются с событиями в приложении, такими как нажатие кнопки, открытие окна, выполнение логического условия. Каждое из событий ассоциируется с графическим объектом, окном, таймером, открытием/ закрытием приложения.
Существует два режима выполнения функций:
1) В синхронном режиме выполнение следующей функции не начинается до завершения предыдущей.
2) При запуске асинхронной функции управление переходит к следующей функции, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей. Это позволяет отделять исполняющиеся довольно долго операции (типа обращений к базам данных) от основной программы.

1.1.2 Программно - аппаратный комплекс АСУ ТП
Тенденции в техническом обеспечение АСУТП составляет комплекс технических средств (КТС), содержащий следующие основные элементы - средства получения информации о текущем состоянии ТОУ (источники информации), и управляющий вычислительный комплекс (УВК), основу которого составляют средства вычислительной техники
Функцией АСУТП называют действия системы, направленные на достижение одной из частных целей управления. Частные цели управления, как и реализующие их функции, находятся в определенном соподчинении, образуя функциональную структуру АСУТП. Элементами это структуры являются отдельные функции, связи между которыми указывают порядок и выполнения. Функции АСУТП делятся на информационные, управляющие и вспомогательные
Первоначально появление и внедрение ИАСУ (СIM) однозначно связывалось с высокоавтоматизированными производственными комплексами типа гибких автоматизированных производств и даже полностью автоматизированных предприятий. Однако дальнейшее развитие показало целесообразность внедрения ИАСУ на предприятиях с умеренным уровнем автоматизации технологических процессов. Существенным оказалось создание в рамках предприятия единого информационного пространства (ЕИП) или интегрированной информационной среды (ИИС), охватывающей все этапы жизненного цикла (ЖЦ) выпускаемой этим предприятием продукции.
Следом за США идеологию CALS приняли все наиболее развитые страны Запада: Великобритания, Германия, Швеция, Норвегия, Канада, Япония,
Австралия и др. Специальная организация по CALS создана в НАТО. Доказав свою эффективность, концепция и идеология CALS перестала быть прерогативой военных ведомств и начала активно применяться в промышленности, строительстве, на транспорте и в других отраслях экономики. [9]
В последние годы CALS очень активно развивается в промышленности России [6, 13-19], что и послужило причиной создания настоящей стратегии формирования и развития.
В соответствии с этим определением ИИС должна содержать доступные (в рамках с установленных регламентов) всем участникам ЖЦ данные, во всех деталях описывающие продукцию (изделия), выпускающее эту продукцию предприятие и протекающие в нем организационно-деловые и технологические процессы (бизнес-процессы). В последние годы методы и идеи CALS и основанные на них ИТ (CALS-технологии) находят применение и в России, в первую очередь на предприятиях оборонного комплекса, поставляющих на внешний рынок наукоемкую продукцию.
За время своего существования и применения расшифровка аббревиатуры
CALS претерпела ряд изменений. В момент возникновения идеи и в первоначальный период становления она расшифровывалась как Computer aided Logistic Support – компьютерная поддержка поставок и логистики. Акцент делался на применении компьютеров для управления процессами поставок, транспортировки и эксплуатации (в аспекте обеспечения запчастями, расходными материалами и т.д.) продукции.
С течением времени, когда применение компьютеров перестало быть экзотикой, понятие трансформировалось и приобрело следующий вид: Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла. Здесь акцент смещен, во-первых, в сторону непрерывности взаимодействия заказчика и поставщика в ходе процессов поставки продукции, а во-вторых, в сторону охвата всего ее ЖЦ. По умолчанию предполагается, что речь идет о сложной наукоемкой продукции, которая требует создания, преобразования и передачи между различными участниками ЖЦ больших объемов технической информации. В последнее время появилась еще одна трактовка понятия CALS: Commerce At Light Speed – высокоскоростная коммерция (быстрая коммерция). Эта трактовка связана с постоянно расширяющейся сферой применения электронного бизнеса (e-business) или электронной коммерции (e-commerce), суть которых состоит в том, что коммерческие сделки заключаются посредством глобальной сети Интернет. В ходе этих сделок стороны обмениваются данными (подчас весьма значительного объема) в электронном безбумажном виде, при необходимости скрепляя эти данные электронными цифровыми подписями (ЭЦП), имеющими такой же юридический статус, как и собственноручная подпись. Электронный обмен данными происходит, естественно, в высоком темпе, невозможном при традиционных способах общения между партнерами.
Каждая информационная система характеризуется некоторым набором величин, значения которых характеризуют эффективность ее работы. Этой величиной может быть, например, время реакции системы на внешнее воздействие, длительность выполнения процесса или момент перехода системы в определенное состояние. Все эти величины являются временными характеристиками. Тогда, когда для этих величин заданы жесткие ограничения на то, какие значения они могут принимать (наименьшее и наибольшее значения), информационная система становится системой реального времени. Выход временной характеристики за границы является отказом системы. Однако для этой системы должна выполняться еще одно условие — она должна быть автоматизированной, то есть работать при участии человека (оператора) в качестве звена общей цепи управления объектом. Автоматизированные системы управления реального времени решают объемный перечень задач, основными из которых являются следующие: 1) сбор данных о состоянии и поведении управляемого объекта; 2) преобразование, сохранение, передача и отображение этих данных; 3) анализ данных и принятие решений; 4) выдача управляющих воздействий на объект.
Системы реального времени можно классифицировать по двум параметрам:
1) По возможности выхода временной характеристики за границы: – Системы жесткого реального времени, в которых невозможен выход временной характеристики за установленные границы; – Системы мягкого реального времени, в которых иногда временная характеристика может выходить за установленные границы;
2) По типу: – Автоматизированные системы управления технологическими процессами, например, система управления конвейером завода; – автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний, например, система вибрационных испытаний компонентов ракетной техники; – встроенные системы управления, которые используются для управления работой несложных объектов, например, мобильными телефонами, микроволновыми печами или стиральными машинами; – бортовые системы управления, которые используются для управления различными видами техники, например, автомобилями, танками или самолетами