Архитектура skada системы trace mode

1. Общие сведения

TRACE MODE - это одна из самых покупаемых в России SCADA-система, предназначенная для разработки крупных распределенных АСУТП широкого назначения. Система TRACE MODE создана в 1992 году и к настоящему времени имеет свыше 6500 инсталляций. Проекты, разработанные на базе TRACE MODE, работают в энергетике, металлургии, атомной, нефтяной, газовой, химической, космической и других отраслях промышленности, в коммунальном и сельском хозяйстве России. По числу внедрений в России, TRACE MODE значительно опережает зарубежные пакеты подобного класса. Имеются также внедрения в странах СНГ, странах Балтии, Анголе, Ирландии, Италии, Ираке, Китае, США.

TRACE MODE основана на инновационных, не имеющих аналогов, технологиях. Среди них: разработка распределенной АСУТП как единого проекта, автопостроение, оригинальные алгоритмы обработки сигналов и управления, объемная векторная графика мнемосхем, единое сетевое время, уникальная технология playback - графического просмотра архивов на рабочих местах руководителей. TRACE MODE - это первая интегрированная SCADA- и SOFTLOGIC-система, поддерживающая сквозное программирование операторских станций и контроллеров при помощи единого инструмента.

SCADA-система TRACE MODE содержит  средства разработки операторского  интерфейса (SCADA/HMI), программирования контроллеров (Softlogic), управления основными фондами (EAM), персоналом (HRM) и производственными процессами (MES).

Все программы, входящие в TRACE MODE, подразделяются на две группы:

1. инструментальную систему разработки
2. исполнительные модули (runtime).

Инструментальная система разработки содержит три редактора:

• редактор базы каналов;
• редактор представления данных;
• редактор шаблонов.

В редакторе базы каналов  создается математическая основа системы  управления: описываются конфигурации всех рабочих станций, контроллеров и УСО, а также настраиваются  информационные потоки между ними. Здесь же описываются входные  и выходные сигналы и их связь  с устройствами сбора данных и  управления; задаются периоды опроса или формирования сигналов, настраиваются  законы первичной обработки и  управления, технологические границы, программы обработки данных и  управления, осуществляется архивирование технологических параметров, сетевой обмен, а также решаются некоторые другие задачи.

Результатами работы в  этом редакторе являются математическая и информационная структуры проекта  АСУТП, которые включают в себя набор  баз каналов и файлов конфигурации для всех контроллеров и операторских станций (узлов) проекта, а также  файл конфигурации всего проекта  c расширением cmt (для версии 6 расширение — prj). Все остальные файлы проекта хранятся в рабочей директории в каталоге, имя которого совпадает с именем файла конфигурации.

В редакторе представления  данных разрабатывается графическая  часть проекта системы управления. Сначала создается статичный  рисунок технологического объекта, а затем поверх него размещаются  динамические формы отображения  и управления.

Среди этих форм присутствуют такие, как поля вывода числовых значений, графики, гистограммы, кнопки, области  ввода значений и перехода к другим графическим фрагментам и т. д.

Кроме стандартных форм отображения, TRACE MODE позволяет вставлять в проекты графические формы представления данных или управления, разработанные пользователями.

Все формы отображения  информации, управления и анимационные эффекты связываются с информационной структурой, разработанной в редакторе  базы каналов.

Для разработки шаблонов документов в состав инструментальной системы  включен редактор шаблонов.

Исполнительная  система TRACE MODE включает в себя исполнительные модули (мониторы, МРВ) – программные модули различного назначения, под управлением которых в реальном времени выполняются составные части проекта, размещаемые на отдельных компьютерах или в контроллерах, предназначенные для работы на всех уровнях систем управления, о которых говорилось выше.

Существует ряд программных  модулей, назначение которых четко  не привязано к функциям одного из перечисленных уровней систем управления.

К таким модулям  относятся:

• глобальный регистратор;
• сервер документирования;
• Web-активатор;
• GSM-активатор.

Они могут использоваться для создания как оперативного, так  и административного уровней  систем управления.

Глобальный регистратор служит для обеспечения надежного хранения архивов ТП. Он архивирует данные, посылаемые ему по сети мониторами реального времени (64 000 параметров с дискретностью 0,001 с), обеспечивает автоматическое восстановление данных после сбоя, а также может передавать архивные данные для просмотра мониторам SUPERVISOR. Глобальный регистратор может также выступать как ОРС-сервер и DDE-сервер и поддерживает обмен с базами данных через ODBC.

Для документирования технологической  информации в TRACE MODE предусмотрен специальный  модуль — сервер документирования. Документирование осуществляется по шаблонам, которые создаются в редакторе шаблонов. Время или условие генерирования документа, имя файла шаблона, а также направление вывода документа описываются в программах документирования — сценариях.

Подготовка отчетов (документов) чаще всего привязывается к астрономическому времени. Например, они могут генерироваться один раз в час, один раз в сутки, один раз в месяц или один раз  в десять минут. Кроме того, можно  установить режим подготовки документа  один раз в смену и затем  описать разбивку суток на смены.

Сервер документирования NetLink Light используется для решения задачи документирования технологической информации. Он по команде МРВ, собственному сценарию или по команде оператора интерпретирует созданные заранее шаблоны, запрашивает у МРВ необходимые данные и формирует по ним документы. Эти документы могут быть распечатаны на принтере, отправлены по E-mail или опубликованы на Web-сервере.

Утилита консоль тревог позволяет  просматривать отчет тревог разных МРВ одного проекта. Для каждого  просматриваемого отчета тревог создается  отдельное окно. В него можно выводить информацию из файла отчета тревог или сообщения, формируемые МРВ.

Любая рабочая станция  системы TRACE MODE может выступать в  качестве Web-сервера, что позволяет  управлять технологическим процессом  через Интернет (Internet). На удаленном компьютере необходимо иметь только доступ к сети Интернет и Web-браузер. Для реализации данного режима предназначен модуль Web-активатор, который используется в качестве www-шлюза для локальных систем АСУ ТП на базе TRACE MODE или для придания функций Web-сервера мониторам реального времени. Использование Web-активатора позволяет быстро превратить существующие АСУТП и АСУП в Internet/Intranet-системы без переделки баз данных реального времени (баз каналов). Доступ к данным реального времени через Web-активатор осуществляется при помощи обыкновенного браузера, работающего под любой операционной системой, позволяющей запуск виртуальной Java-машины. Информация о технологическом процессе представляется пользователю в виде анимированных мнемосхем, трендов и таблиц. Связь с серверами реального времени TRACE MODE может осуществляться практически любыми доступными средствами, например через сотовую сеть стандарта GSM, инфракрасный порт, сеть на основе интерфейса RS-232/485 или модем с использованием высоконадежного протокола TCP/IP. Можно осуществлять подключение и непосредственно через Internet. Для этого достаточно войти в Internet и набрать IP-адрес сервера TRACE MODE – подключение произойдет автоматически.

Для доступа к данным пользователю достаточно набрать Web-адрес активатора и ввести пароль, тогда весь проект загружается в удаленный компьютер  в виде Java-аппрета. Использование  стандартного языка Java при написании аппретов позволяет реализовать на удаленных компьютерах не только Windows, но и другие операционные системы, например Unix, Linux, Mac OS и т. д., а также ОС, использующиеся в карманных PC. Проект TRACE MODE поступает к пользователю в виде Java-аппрета, объем которого не превышает 300 Кбайт, что дает возможность использовать Web-активатор в сетях с низким качеством связи. Достоинством технологии Java является также повышенная безопасность. При использовании Web-активатора не требуется установка Web-серверов других производителей (например, MS IE), что выгодно отличает эту программу от решений, примененных в других SCADA.

Для обеспечения мобильных  пользователей АСУ оперативной  информацией в режиме реального  времени на базе TRACE MODE разработан программный  продукт — GSM-активатор. Он предназначен для дистанционного мониторинга и управления технологическими процессами, а также для получения оперативной технико-экономической информации при помощи сверхпортативных компьютеров handheld PC.

В реальном времени GSM-активатор  может принимать информацию от 64 000 датчиков, осуществлять супервизорное  управление, получать технико-экономическую  информацию из баз данных через сервер, использующий стандартные интерфейсы SQL/ODBC, ОРС, DDE и т. д. Вся входящая информация отображается графически в виде анимированных мнемосхем и трендов.

GSM-активатор, относящийся  к новому классу систем оперативного  управления, отражающих мировую  тенденцию к миниатюризации и  автономизации компьютерных систем, может быть использован в качестве персональной информационной системы руководителя.

К GSM-активатору проявляют  интерес нефтяные компании, электрические  и тепловые сети РАО ЕЭС и РАО  ГАЗПРОМ, коммунальные и другие службы, управляющие пространственно распределенными  объектами. GSM-активатор пригоден также  к применению в охранных службах: получение в реальном времени  информации о состоянии охраняемого  объекта может стать основой  успеха операции группы быстрого реагирования, вызванной по тревоге.

Нужно отметить, что в  последней версии TRACE MODE 6 все редакторы  системы вызываются из одной программы  — Интегрированной среды разработки (ИС). ИС – единая программная оболочка, содержащая все необходимые средства для разработки проекта. Все переменные проекта, к чему бы они ни относились — к контроллеру, к операторской станции, к управлению техобслуживанием или производством хранятся в  единой базе данных проекта. Единая база проекта устраняет лишнюю работу проектировщика по созданию, поддержке  и взаимной увязке во многом одинаковых баз переменных контроллеров и ПК, характерную для систем предыдущего  поколения.

Логическая структура  проекта полностью отделена от аппаратной части. Благодаря единому пространству распределенных переменных, переменные из разных узлов могут связываться  между собой также легко, как  и в пределах одного узла, любые  изменения, вносимые в объект, автоматически  применяются везде, где он был задействован.

2. Общая характеристика  программного обеспечения SCADA 
 
2.1. Основные функции SCADA-систем 

 
Программное обеспечение типа SCADA предназначено для разработки и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами. Резонно задать вопрос: а что же все-таки первично – разработка или эксплуатация? И ответ в данном случае однозначен – первичным является эффективный человеко-машинный интерфейс (HMI), ориентированный на пользователя, т. е. на оперативный персонал, роль которого в управлении является определяющей. SCADA – это новый подход к проблемам человеческого фактора в системах управления (сверху вниз), ориентация в первую очередь на человека (оператора/диспетчера), его задачи и реализуемые им функции.  
 
Такой подход позволил минимизировать участие операторов/диспетчеров в управлении процессом, но оставил за ними право принятия решения в особых ситуациях. 
 
А что дала SCADA-система разработчикам? С появлением SCADA они получили в руки эффективный инструмент для проектирования систем управления, к преимуществам которого можно отнести:

• высокую степень автоматизации процесса разработки системы 
• управления;
• участие в разработке специалистов в области автоматизируемых 
  процессов (программирование без программирования);
• реальное сокращение временных, а, следовательно, и финансовых 
  затрат на разработку систем управления.

 
 
Прежде, чем говорить о функциональных возможностях ПО SCADA, предлагается взглянуть  на функциональные обязанности самих  операторов/диспетчеров. Каковы же эти  обязанности? Следует сразу отметить, что функциональные обязанности  операторов/диспетчеров конкретных технологических процессов и  производств могут быть существенно разными, да и сами понятия «оператор» и «диспетчер» далеко не равнозначны. Тем не менее, среди многообразия этих обязанностей оказалось возможным найти общие, присущие данной категории работников:

• регистрация значений основных технологических и хозрасчетных  
  параметров;
• анализ полученных данных и их сопоставление со сменно-суточными  
  заданиями и календарными планами;
• учет и регистрация причин нарушений хода технологического  
  процесса;
• ведение журналов, составление оперативных рапортов, отчетов 
  и других документов;
• предоставление данных о ходе технологического процесса и  
  состоянии оборудования в вышестоящие службы и т. д. 
  

 
Раньше в операторной (диспетчерской) находился щит управления (отсюда - щитовая). Для установок и технологических процессов с несколькими сотнями параметров контроля и регулирования длина щита могла достигать нескольких десятков метров, а количество приборов на них измерялось многими десятками, а иногда и сотнями. Среди этих приборов были и показывающие (шкала и указатель), и самопишущие (кроме шкалы и указателя еще и диаграммная бумага с пером), и сигнализирующие. В определенное время оператор, обходя щит, записывал показания приборов в журнал. Так решалась задача сбора и регистрации информации.  
 
В приборах, обслуживающих регулируемые параметры, имелись устройства для настройки задания регулятору и для перехода с автоматического режима управления на ручное (дистанционное). Здесь же, рядом с приборами, находились многочисленные кнопки, тумблеры и рубильники для включения и отключения различного технологического оборудования. Таким образом решались задачи дистанционного управления технологическими параметрами и оборудованием. 
 
Над щитом управления (как правило, на стене) находилась мнемосхема технологического процесса с изображенными на ней технологическими аппаратами, материальными потоками и многочисленными лампами сигнализации зеленого, желтого и красного (аварийного) цвета. Эти лампы начинали мигать при возникновении нештатной ситуации. В особо опасных ситуациях предусматривалась возможность подачи звукового сигнала (сирена) для быстрого предупреждения всего оперативного персонала. Так решались задачи, связанные с сигнализацией нарушений технологического регламента (отклонений текущих значений технологических параметров от заданных, отказа оборудования). 
 
С появлением в операторной/диспетчерской компьютеров было естественным часть функций, связанных со сбором, регистрацией, обработкой и отображением информации, определением нештатных (аварийных) ситуаций, ведением документации, отчетов, переложить на компьютеры. Еще во времена первых управляющих вычислительных машин с монохромными алфавитно-цифровыми дисплеями на этих дисплеях усилиями энтузиастов-разработчиков уже создавались «псевдографические» изображения - прообраз современной графики. Уже тогда системы обеспечивали сбор, обработку, отображение информации, ввод команд и данных оператором, архивирование и протоколирование хода процесса. 
 
Хотелось бы отметить, что с появлением современных программно-технических средств автоматизации, рабочих станций операторов/диспетчеров, функционирующих на базе программного обеспечения SCADA, щиты управления и настенные мнемосхемы не канули безвозвратно в лету. Там, где это продиктовано целесообразностью, щиты и пульты управления остаются, но становятся более компактными.  
 
Появление УВМ, а затем и персональных компьютеров вовлекло в процесс создания операторского интерфейса программистов. Они хорошо владеют компьютером, языками программирования и способны писать сложные программы. Для этого программисту нужен лишь алгоритм (формализованная схема решения задачи). Но беда в том, что программист, как правило, не владеет технологией, не «понимает» технологического процесса. Поэтому для разработки алгоритмов надо было привлекать специалистов-технологов, например, инженеров по автоматизации. 
 
Выход из этой ситуации был найден в создании методов «программирования без реального программирования», доступных для понимания не только программисту, но и инженеру-технологу. В результате появились программные пакеты для создания интерфейса «человек-машина» (Man/Humain Machine Interface, MMI/HMI). За рубежом это программное обеспечение получило название SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – супервизорное/диспетчерское управление и сбор данных), так как предназначалось для разработки и функциональной поддержки АРМов операторов/диспетчеров в АСУТП. А в середине 90-х аббревиатура SCADA (СКАДА) уверенно появилась и в лексиконе российских специалистов по автоматизации. 
 
Оказалось, что большинство задач, стоящих перед создателями программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП различных отраслей промышленности, достаточно легко поддается унификации, потому что функции оператора/диспетчера практически любого производства достаточно унифицированы и легко поддаются формализации. 
 
Таким образом, базовый набор функций SCADA-систем предопределен ролью этого программного обеспечения в системах управления (HMI) и реализован практически во всех пакетах. Это: