Программное обеспечение систем управления. Системы диспетчерского управления и сбора данных (scada-системы) Области применения SCADA-систем

Программное обеспечение АСУ ТП представляет собой комплекс различных программ, главная задача которых заключается в обеспечении бесперебойного функционирования программаторов, контроллеров, инженерных станций и других вычислительных средств в составе системы. Выделяют два вида ПО АСУ ТП.

Общее - подходит для всех технических средств и не привязывается к какому-либо одному объекту. Объединяет SCADA и операционные системы, а также пакеты программ.
Специальное - включает программные решения, разработанные конкретно для определенных АСУ ТП. Объединяет программы-архиваторы данных, ПО для контроллеров и обработки информации.

Мы предлагаем купить программное обеспечение для АСУ ТП на выгодных условиях. В продаже:

системы MasterSCADA,
MasterPLC для логических контроллеров,
OPC-серверы DA/HDA/UA для сбора и предоставления данных,
станции инженерного сопровождения PID-expert.

Цены на отдельные позиции приведены в прайс-листе. Подробные характеристики смотрите на страницах с товарами. Дополнительную информацию об ассортименте продуктов, условиях оплаты и сроках доставки уточняйте у менеджера по телефону.

SCADA система MasterSCADA

MasterSCADA - SCADA система для АСУТП, MES, задач учета и диспетчеризации объектов промышленности, ЖКХ и зданий.

MasterSCADA ™ — самый современный, инновационный мощный и удобный инструмент для быстрой и качественной разработки систем. Это программное обеспечение для систем управления, в котором воплощен двадцатилетний опыт разработчиков продуктов для автоматизации самых разных объектов.

MasterSCADA ™ — это не просто один из современных SCADA - и SoftLogic -пакетов, это принципиально новый инструмент разработки систем автоматизации и диспетчеризации. В нем реализованы средства и методы разработки проектов, обеспечивающие резкое сокращение трудозатрат и повышение надежности создаваемой системы. Разрабатывать проекты в MasterSCADA легко и приятно.

MasterSCADA 3.X MasterSCADA 3.X - самая популярная отечественная SCADA-система. Популярность MasterSCADA подтверждена оценками многих экспертов и опросами на профильных порталах в Интернет. Так, например, MasterSCADA признана Продуктом Года по выбору русской редакции авторитетного международного журнала Control Engineering. На базе MasterSCADA 3.x реализовано более 10000 внедрений. Среди реализованных проектов - глобальные системы с более чем 100000 параметров, приходящих на один сервер опроса, и с более чем 300 местами операторов.

MasterSCADA 4D MasterSCADA 4D – это продукт нового поколения SCADA-систем. В нем, по сравнению с предыдущей версии, существенно расширены инструменты по созданию крупных распределенных систем с возможностью использования технологий Интернета вещей, повышено удобство и гибкость, расширены возможности использования различных аппаратных платформ и операционных систем, увеличено число поддерживаемых уровней систем управления и реализована миграция функционала между уровнями. В MasterSCADA легко разрабатывать проекты любого масштаба и сложности. Для этого предлагаются различные подходы, обеспечивающие наиболее комфортные условия разработки под каждый тип проекта.

SoftLogic система - MasterPLC

Исполнительные системы для программируемых логических контроллеров с открытой архитектурой (SoftLogic), базирующихся на платформах x86, ARM7, ARM9, StrongARM, xSсale и операционных системах DOS, miniOS7, Linux, Ecos, Windows CE, QNX, Windows.

Поддерживает работу с контроллерами:

ICP DAS ( I-7188, I-8000, Wincon, WinPAC, LinPAC, I-PAC);
ADVANTECH ( ADAM-4500, ADAM-5510, UNO2000, ...);
MOXA ( UC7408 и другими серии 7ххх);
ОВЕН (ПЛК100, ПЛК110, ПЛК304, ПЛК308);
ТРЕЙ;
и многими другими...

Структура программного обеспечения (ПО). Программное обеспечение является такой же неотъемлемой частью современной системы, как и аппаратное обеспечение.

Часть программного обеспечения - системное ПО, обычно поставляется фирмой и рассчитано на конкретную вычислительную платформу. Функционально близко к системному программному обеспечению находится специальное программное обеспечение, предназначенное не для автоматического управления, а для оперативного наблюдения за ходом процессов в системе, ведения архивов, отчётов, наглядного представления текущих параметров процессов, организации виртуальных измерительных приборов, дисплеев и т.п. Эти системы обычно не работают в жёстком реальном времени. Имеется достаточное количество таких готовых систем (Trace Mode, UltraLogik и др.). В целях обеспечения независимости от производителя, а также в целях повышения надёжности и проблемной ориентированности часто такие системы создают специально.

Другая часть программного обеспечения - драйверы устройств, должна быть результатом согласования фирм-разработчиков устройств и фирм-разработчиков системного ПО. Согласование достигается путём следования стандартам разработки драйверов.

Наконец, имеется ещё один тип программного обеспечения, предназначенного для решения либо конкретных вычислительных задач, или для управления специальными нестандартными устройствами. Это прикладное программное обеспечение вынужден создавать разработчик конкретной системы. При этом часто приходится использовать язык ассемблера, так как требуется высокое быстродействие и предсказуемость поведения программы.

Системное программное обеспечение . Возможность работы в реальном времени, обеспечение высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов - все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс. Основное требование (помимо надёжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно выделить отличительные качества промышленных вычислительных систем:

Адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам;

Использование распространенных и проверенных промышленных стандартов;

Использование операционных систем реального времени (ОСРВ).

Операционные системы реального времени . Как и всякая другая операционная система, ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычислительной техники в автоматике:

Обеспечение бесконфликтного взаимодействия параллельных задач с аппаратурой;

Бесконфликтное разделение ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.);

Обеспечение надежной передачи данных между процессами в адресных пространствах;

Обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам;

Обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки;

Поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров);

Создание вычислительной среды повышенной надёжности;

Но ОСРВ эти функции выполняет за гарантированное и известное время.

Многие современные операционные системы, способные обрабатывать "на лету" поступающие запросы, в какой-то степени можно отнести к операционным системам реального времени. Как правило, такие операционные системы являются клонами ОС UNIX, где основным принципом построения ОС является разделение времени с целью предоставить каждому пользователю свой ресурс.

Главный критерий, по которому операционные системы можно разделить на обычные и операционные системы реального времени, - это детерминированная, строго определенная задержка времени ожидания или прерывания, необходимая процессу, прежде чем он получит управление. В ОСРВ различают два основных элемента - это время отклика и детерминизм. Время отклика определяет, как часто система может "отвечать" в среднем. Детерминизм - это показатель наибольшей задержки системы. Некоторые операционные системы, например DOS, являются недетерминированными и непригодны для использования в реальном масштабе времени.

Системы реального времени также делятся на "soft real-time" и "hard real-time" - мягкое реальное время (МРВ) и жёсткое реальное время (ЖРВ). Для МРВ-систем возможна потеря внешнего события (прерывания) без оказания серьезного влияния на систему в целом. Потерянное прерывание в ситуации с ЖРВ имеет серьезные последствия, как например, "потеря" аварийной ситуации в системе исключения столкновений на авиалиниях. Следует также понимать, что ЖРВ не связано с абсолютными значениями времени реакции ОС, так как есть процессы со временами работы, исчисляющимися сотыми долями секунды (например, в энергетических системах), а есть такие, для которых характерные постоянные времени равны часам (тепловые процессы).

В настоящее время интерес к операционным системам реального времени очень велик и известно множество ОС реального времени. Каждая из ведущих фирм-производителей, выпускающих промышленные компьютеры, обязательно имеет версию своей операционной системы для работы в реальном масштабе времени. Для компании Hewlett-Packard (HP) - это HP RT, для компании SGI - это ОС REACT, а для систем фирмы Motorola - это целое семейство различных ОС РВ.

Прикладное программное обеспечение для САУ можно разбить на следующие группы:

Дополнение к операционной системе (драйверы и т.п.);

Программы управления, передачи данных, обработки данных, планирования и т.п., то есть прикладные вычислительные задачи;

Программное обеспечение локальных регуляторов. Эта часть программного обеспечения часто создаётся для специализированных микроконтроллеров.

Для создания этих разнородных частей прикладного программного обеспечения используются разные методы программирования. Наиболее традиционной частью являются прикладные вычислительные задачи, для которых стараются использовать программирование на языках высокого уровня. Обычно здесь удаётся обойтись программированием на языке С, С++, Pascal, привлекая для этого интегрированные среды типа Visual C, Builder или Delphi.

При создании программного обеспечения для локальных контроллеров важно придерживаться следующих принципов:

При разработке проекта стараться обеспечить однородность вычислительной платформы, что позволит в дальнейшем упростить программирование. Реально это означает, что целесообразно в локальных системах использовать не специализированные микроконтроллеры, а PC-совместимые контроллеры. Но в ряде задач наиболее эффективны именно специализированные контроллеры, как, например, специальные DSP-процессоры в задачах цифровой обработки сигналов.

При разработке микропрограмм для локальных контроллеров необходимо тщательно обосновывать выбор контроллеров, причём, основным аспектом является не экономический, так как стоимость микроконтроллеров постоянно снижается, а системный.

Альтернативой традиционному программированию микроконтроллеров, в принципе, является технология Java, предполагающая сетевую загрузку исполняемых программ в контроллеры.

Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) в 1993 г. утвердила стандарт IEC 1131-3. Этот международный стандарт входит в группу IEC 1131 стандартов, которые охватывают различные аспекты использования программируемых логических контроллеров (ПЛК). Стандарт IEC 1131-3 описывает синтаксис и семантику пяти языков программирования ПЛК.

Инструменты разработки и отладки программного обеспечения . Наиболее перспективными являются интуитивно-понятные разработчику средства визуального проектирования. Визуальные средства предполагают, что проектировщик (пользователь) не должен писать практически никакого кода программы ни на одном из языков программирования. Вместо этого он производит размещение тех или иных наглядных графических образов (пиктограмм) на рабочем поле. Они представляют собой отображение некоторых стандартных блоков, алгоритмов, устройств. Соединяя эти образы в соответствии с требуемой структурой, и задавая свойства отдельных компонент, пользователь быстро получает требуемое представление своей системы. Избежать программирования удаётся за счёт объектно-ориентированного характера такой модели, при котором необходимые коды программ уже инкапсулированы в стандартных блоках.

Но здесь заключается и слабая сторона такого подхода. Реально имеются две негативные стороны использования стандартных библиотек функций:

Закрытость исходных кодов (и в смысле недоступности, и в том смысле, что пользователь не заинтересован разбираться в чужих кодах);

Неоптимальность кодов именно для той конкретной ситуации, в которой находится данный разработчик системы автоматики ("универсальное - значит не оптимальное").

Эти два пункта реально приводят к тому, что пользователь- разработчик автоматической системы не может гарантировать надёжность работы всей системы, так как в неё входят закрытые компоненты, и не может гарантировать оптимальности в смысле быстродействия работы критичных к этому параметру частей системы. Визуальные методы программирования ограниченно пригодны в случае хорошо известных задач, не критичных к быстродействию и надёжности.

Чтобы добиться абсолютно предсказуемого поведения программного обеспечения с учётом работы в реальном времени разработчик автоматических систем вынужден создавать и собственное программное обеспечение. Наиболее целесообразный подход здесь следующий:

По мере возможности пользоваться языками высокого уровня;

Лишь в случае нехватки быстродействия или надёжности использовать Ассемблер.

Такой подход позволит инженеру в области автоматики решить сразу две задачи:

Обеспечить реальную возможность передачи исходных кодов программ другим разработчикам, в том числе, и при смене вычислительной платформы;

Добиться существенной экономии времени разработки программного обеспечения. Известно, что наиболее "расточительно" в этом смысле программирование на Ассемблере.

Стандартными средствами во всех случаях являются специальные программные продукты, предназначенные для разработки программного обеспечения: редакторы, трансляторы, компоновщики, отладчики. Наиболее целесообразно использовать специальные интегрированные среды разработки, объединяющие все эти средства. Такие среды разработки имеются практически для всех языков программирования.

Сопровождение программного обеспечения - это возможность гарантировать передачу программных комплексов, их переналадку в случае необходимости, исправление обнаруженных ошибок, устранение сбоев. Возможность сопровождения программного обеспечения зависит от следующих основных факторов:

Обеспечение разработчиком сервисных услуг;

Наличия доступной технической документации, в том числе, открытых кодов программ;

Использование при разработке средств, доступных пользователям;

Минимизация зависимости программного обеспечения от разработчика. Ключевым в этом вопросе является использование промышленных методов создания программного обеспечения.

От правильного выбора программного продукта, удовлетворяющего требованиям сопровождения, часто зависит судьба всей системы автоматики и эффективности вложения средств.

литература

1. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с.

4. Орлов А.И. Менеджмент: Учебник. – М.: "Изумруд", 2003. URL: http://www.aup.ru/books/m151/

10. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие. – М.: МГИЭМ, 2005, 71 с. URL: http://rs16tl.rapidshare.com/files/21651582/2889232/ Tehnicheskie_sredstva_avtomatizatsii_i_upravleniya.rar

11. Михайлов В.С. Теория управления. – К.: Выща школа, 1988.

О замеченных опечатках, ошибках и предложениях по дополнению: [email protected].

Диспетчерское управление и сбор данных (SCADA Supervisory Control And Data Acquisition) является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах.

За последние 10-15 лет за рубежом резко возрос интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных. С одной стороны, это связано со значительным прогрессом в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций, что увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Расследование и анализ большинства аварий и происшествий в авиации, наземном и водном транспорте, промышленности и энергетике, часть из которых привела к катастрофическим последствиям, показали, что, если в 60-х годах ошибка человека являлась первоначальной причиной лишь 20% инцидентов (80%, соответственно, за технологическими неисправностями и отказами), то в 90-х годах доля человеческого фактора возросла до 80%, причем, в связи с постоянным совершенствованием технологий и повышением надежности электронного оборудования и машин, доля эта может возрасти.

Основной причиной таких тенденций является старый традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который применяется часто и в настоящее время: ориентация в первую очередь на применение новейших технических (технологических) достижений, стремление повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса (HMI Human-Machine Interface), т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя (оператора). Не случайно именно на последние 15 лет, т.е. период появления мощных, компактных и недорогих вычислительных средств, пришелся пик исследований в США по проблемам человеческого фактора в системах управления, в том числе по оптимизации архитектуры и HMI-интерфейса систем диспетчерского управления и сбора данных.

Изучение материалов по проблемам построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показало необходимость применения нового подхода при разработке таких систем: human-centered design (или top-down, сверху-вниз), т.е. ориентация в первую очередь на человека-оператора (диспетчера) и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося hardware-centered (или bottom-up, снизу-вверх), в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения). Применение нового подхода в реальных космических и авиационных разработках и сравнительные испытания систем в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), США, подтвердили его эффективность, позволив увеличить производительность операторов, на порядок уменьшить процедурные ошибки и свести к нулю критические (некорректируемые) ошибки операторов.

Определение и общая структура SCADA

SCADA процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора (диспетчера). В то же время понятие реального времени отличается для различных SCADA-систем.

Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента:

Remote Terminal Unit (RTU) удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных функций обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован в самом разнообразном виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построении MTU используются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

Функциональная структура SCADA

Существует два типа управления удаленными объектами в SCADA:

автоматическое,
инициируемое оператором системы.

Выделяют четыре основных функциональных компонента систем диспетчерского управления и сбора данных:

человек-оператор,
компьютер взаимодействия с человеком,
компьютер взаимодействия с задачей (объектом),
задача (объект управления).

Функци человека-оператора в системе диспетчерского управления, как набор вложенных циклов, в которых оператор:

планирует, какие следующие действия необходимо выполнить;
обучает (программирует) компьютерную систему на последующие действия;
отслеживает результаты (полу)автоматической работы системы;
вмешивается в процесс в случае критических событий, когда автоматика не может справиться, либо при необходимости подстройки (регулировки) параметров процесса;
обучается в процессе работы (получает опыт).

Данное представление SCADA явилось основой для разработки современных методологий построения эффективных диспетчерских систем.

Особенности SCADA как процесса управления

Особенности процесса управления в современных диспетчерских системах:

процесс SCADA применяется системах, в которых обязательно наличие человека (оператора, диспетчера);
процесс SCADA был разработан для систем, в которых любое неправильное воздействие может привести к отказу (потере) объекта управления или даже катастрофическим последствиям;
оператор несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимальной производительности;
активное участие оператора в процессе управления происходит нечасто и в непредсказуемые моменты времени, обычно в случае наступления критических событий (отказы, нештатные ситуации и пр.);
действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).

Основные требования к диспетчерским системам управления

К SCADA-системам предъявляются следующие основные требования:

надежность системы (технологическая и функциональная);
безопасность управления;
точность обработки и представления данных;
простота расширения системы.

Требования безопасности и надежности управления в SCADA включают следующие:

никакой единичный отказ оборудования не должен вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
никакая единичная ошибка оператора не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;
все операции по управлению должны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).

Области применения SCADA-систем

Основными областями применения систем диспетчерского управления (по данным зарубежных источников), являются:

управление передачей и распределением электроэнергии;
промышленное производство;
производство электроэнергии;
водозабор, водоочистка и водораспределение;
добыча, транспортировка и распределение нефти и газа;
управление космическими объектами;
управление на транспорте (все виды транспорта: авиа, метро, железнодорожный, автомобильный, водный);
телекоммуникации;
военная область.

В настоящее время в развитых зарубежных странах наблюдается настоящий подъем по внедрению новых и модернизации существующих автоматизированных систем управления в различных отраслях экономики; в подавляющем большинстве случаев эти системы строятся по принципу диспетчерского управления и сбора данных. Характерно, что в индустриальной сфере (в обрабатывающей и добывающей промышленности, энергетике и др.) наиболее часто упоминаются именно модернизация существующих производств SCADA-системами нового поколения. Эффект от внедрения новой системы управления исчисляется, в зависимости от типа предприятия, от сотен тысяч до миллионов долларов в год; например, для одной средней тепловой станции он составляет, по подсчетам специалистов, от 200000 до 400000 долларов. Большое внимание уделяется модернизации производств, представляющих собой экологическую опасность для окружающей среды (химические и ядерные предприятия), а также играющих ключевую роль в жизнеобеспечении населенных пунктов (водопровод, канализация и пр.). С начала 90-х годов в США начались интенсивные исследования и разработки в области создания автоматизированных систем управления наземным (автомобильным) транспортом ATMS (Advanced Traffic Management System).

Тенденции развития технических средств систем диспетчерского управления

Общие тенденции

Прогресс в области информационных технологий обусловил развитие всех 3-х основных структурных компонентов систем диспетчерского управления и сбора данных RTU, MTU, CS, что позволило значительно увеличить их возможности; так, число контролируемых удаленных точек в современной SCADA-системе может достигать 100000.
Основная тенденция развития технических средств (аппаратного и программного обеспечения) SCADA миграция в сторону полностью открытых систем. Открытая архитектура позволяет независимо выбирать различные компоненты системы от различных производителей; в результате расширение функциональных возможностей, облегчение обслуживания и снижение стоимости SCADA-систем.

Удаленные терминалы (RTU)

Главная тенденция развития удаленных терминалов увеличение скорости обработки и повышение их интеллектуальных возможностей. Современные терминалы строятся на основе микропроцессорной техники, работают под управлением операционных систем реального времени, при необходимости объединяются в сеть, непосредственно или через сеть взаимодействуют с интеллектуальными электронными датчиками объекта управления и компьютерами верхнего уровня.
Конкретная реализация RTU зависит от области применения. Это могут быть специализированные (бортовые) компьютеры, в том числе мультипроцессорные системы, обычные микрокомпьютеры или персональные ЭВМ (РС); для индустриальных и транспортных систем существует два конкурирующих направления в технике RTU индустриальные (промышленные) PC и программируемые логические контроллеры (в русском переводе часто встречается термин промышленные контроллеры) PLC.

Индустриальные компьютеры представляют собой, как правило, программно совместимые с обычными коммерческими РС машины, но адаптированные для жестких условий эксплуатации буквально для установки на производстве, в цехах, газокомпрессорных станциях и т.д. Адаптация относится не только к конструктивному исполнению, но и к архитектуре и схемотехнике, так как изменения температуры окружающей среды приводят к дрейфу электрических параметров. В качестве устройств сопряжения с объектом управления данные системы комплектуются дополнительными платами (адаптерами) расширения, которых на рынке существует большое разнообразие от различных изготовителей (как, впрочем, и самих поставщиков промышленных РС). В качестве операционной системы в промышленных PC, работающих в роли удаленных терминалов, все чаще начинает применяться Windows NT, в том числе различные расширения реального времени, специально разработанные для этой операционной системы (подробнее см. ниже).

Промышленные контроллеры (PLC) представляют собой специализированные вычислительные устройства, предназначенные для управления процессами (объектами) в реальном времени. Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули ввода-вывода, принимающие информацию (сигналы) с датчиков, переключателей, преобразователей, других устройств и контроллеров, и осуществляющие управление процессом или объектом выдачей управляющих сигналов на приводы, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные PLC часто объединяются в сеть (RS-485, Ethernet, различные типы индустриальных шин), а программные средства, разрабатываемые для них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять ими через компьютер, находящийся на верхнем уровне SCADA-системы диспетчерском пункте управления (MTU). Исследование рынка PLC показало, что наиболее развитой архитектурой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают контроллеры фирм Siemens, Fanuc Automation (General Electric), Allen-Bradley (Rockwell), Mitsubishi. Представляет интерес также продукция фирмы CONTROL MICROSYSTEMS промышленные контроллеры для систем мониторинга и управления нефте- и газопромыслами, трубопроводами, электрическими подстанциями, городским водоснабжением, очисткой сточных вод, контроля загрязнения окружающей среды.

Много материалов и исследований по промышленной автоматизации посвящено конкуренции двух направлений PC и PLC; каждый из авторов приводит большое количество доводов за и против по каждому направлению. Тем не менее, можно выделить основную тенденцию: там, где требуется повышенная надежность и управление в жестком реальном времени, применяются PLC. В первую очередь это касается применений в системах жизнеобеспечения (например, водоснабжение, электроснабжение), транспортных системах, энергетических и промышленных предприятиях, представляющих повышенную экологическую опасность. Примерами могут служить применение PLC семейства Simatic (Siemens) в управлении электропитанием монорельсовой дороги в Германии или применение контроллеров компании Allen-Bradley (Rockwell) для модернизации устаревшей диспетчерской системы аварийной вентиляции и кондиционирования на плутониевом заводе 4 в Лос-Аламосе. Аппаратные средства PLC позволяют эффективно строить отказоустойчивые системы для критических приложений на основе многократного резервирования. Индустриальные РС применяются преимущественно в менее критичных областях (например, в автомобильной промышленности, модернизация производства фирмой General Motors), хотя встречаются примеры и более ответственных применений (метро в Варшаве управление движением поездов). По оценкам экспертов, построение систем на основе PLC, как правило, является менее дорогостоящим вариантом по сравнению с индустриальными компьютерами.

Каналы связи (CS)

Каналы связи для современных диспетчерских систем отличаются большим разнообразием; выбор конкретного решения зависит от архитектуры системы, расстояния между диспетчерским пунктом (MTU) и RTU, числа контролируемых точек, требований по пропускной способности и надежности канала, наличия доступных коммерческих линий связи.

Тенденцией развития CS как структурного компонента SCADA-систем можно считать использование не только большого разнообразия выделенных каналов связи (ISDN, ATM и пр.), но также и корпоративных компьютерных сетей и специализированных индустриальных шин.

В современных промышленных, энергетических и транспортных системах большую популярность завоевали индустриальные шины специализированные быстродействующие каналы связи, позволяющие эффективно решать задачу надежности и помехоустойчивости соединений на разных иерархических уровнях автоматизации. Существует три основных категории индустриальных шин, характеризующие их назначение (место в системе) и сложность передаваемой информации: Sensor, Device, Field. Многие индустриальные шины охватывают две или даже все три категории.

Из всего многообразия индустриальных шин, применяющихся по всему миру (только по Германии их установлено в различных системах около 70 типов) следует выделить промышленный вариант Ethernet и PROFIBUS, наиболее популярные в настоящее время и, по-видимому, наиболее перспективные. Применение специализированных протоколов в промышленном Ethernet позволяет избежать свойственного этой шине недетерминизма (из-за метода доступа абонентов CSMA/CD), и в то же время использовать его преимущества как открытого интерфейса. Шина PROFIBUS в настоящее время является одной из наиболее перспективных для применения в промышленных и транспортных системах управления; она обеспечивает высокоскоростную (до 12 Мбод) помехоустойчивую передачу данных (кодовое расстояние = 4) на расстояние до 90 км. На основе этой шины построена, например, система автоматизированного управления движением поездов в варшавском метро.

Диспетчерские пункты управления (MTU)

Главной тенденцией развития MTU (диспетчерских пунктов управления) является переход большинства разработчиков SCADA-систем на архитектуру клиент-сервер, состоящую из 4-х функциональных компонентов.

1. User (Operator) Interface (интерфейс пользователя/оператора) исключительно важная составляющая систем SCADA. Для нее характерны а) стандартизация интерфейса пользователя вокруг нескольких платформ; б) все более возрастающее влияние Windows NT; в) использование стандартного графического интерфейса пользователя (GUI); г) технологии объектно-ориентированного программирования: DDE, OLE, Active X, OPC (OLE for Process Control), DCOM; д) стандартные средства разработки приложений, наиболее популярные среди которых, Visual Basic for Applications (VBA), Visual C++; е) появление коммерческих вариантов программного обеспечения класса SCADA/MMI для широкого спектра задач. Объектная независимость позволяет интерфейсу пользователя представлять виртуальные объекты, созданные другими системами. Результат расширение возможностей по оптимизации HMI-интерфейса.

2. Data Management (управление данными) отход от узкоспециализированных баз данных в сторону поддержки большинства корпоративных реляционных баз данных (Microsoft SQL, Oracle). Функции управления данными и генерации отчетов осуществляются стандартными средствами SQL, 4GL; эта независимость данных изолирует функции доступа и управления данными от целевых задач SCADA, что позволяет легко разрабатывать дополнительные приложения по анализу и управлению данными.

3. Networking & Services (сети и службы) переход к использованию стандартных сетевых технологий и протоколов. Службы сетевого управления, защиты и управления доступом, мониторинга транзакций, передачи почтовых сообщений, сканирования доступных ресурсов (процессов) могут выполняться независимо от кода целевой программы SCADA, разработанной другим вендором.

4. Real-Time Services (службы реального времени) освобождение MTU от нагрузки перечисленных выше компонентов дает возможность сконцентрироваться на требованиях производительности для задач реального и квази-реального времени. Данные службы представляют собой быстродействующие процессоры, которые управляют обменом информацией с RTU и SCADA-процессами, осуществляют управление резидентной частью базы данных, оповещение о событиях, выполняют действия по управлению системой, передачу информации о событиях на интерфейс пользователя (оператора).

Операционные системы

Несмотря на продолжающиеся споры среди специалистов по системам управления на тему что лучше UNIX или Windows NT? , рынок однозначно сделал выбор в пользу последней. Решающими для быстрого роста популярности Windows NT стала ее открытая архитектура и эффективные средства разработки приложений, что позволило многочисленным фирмам-разработчикам создавать программные продукты для решения широкого спектра задач.

Рост применения Windows NT в автоматизированных системах управления обусловлен в значительной степени появлением ряда программных продуктов, которые позволяют использовать ее в качестве платформы для создания ответственных приложений в системах реального времени, а также во встраиваемых конфигурациях. Наиболее известными расширениями реального времени для Windows NT являются продукты компаний VenturCom, Nematron, RadiSys.

Решения фирмы VenturCom стали стандартом де-факто для создания ответственных приложений жесткого реального времени на платформе Windows NT. При разработке интерфейса для приложений реального времени разработчики фирмы пошли по пути модификации модуля Windows NT слоя аппаратных абстракций (HAL Hardware Abstraction Layer), отвечающего за выработку высокоприоритетных системных прерываний, мешающих задаче осуществлять управление в жестком реальном времени. Программный продукт Component Integrator компании VenturCom является средством ускоренной разработки и внедрения приложений реального времени для Windows NT; он поставляется в виде интегрированного пакета, состоящего из инструментов для создания встраиваемых приложений (ECK Embedded Component Kit) и собственно расширений реального времени (RTX 4.1), позволяющих приложениям, создаваемым для работы под Windows NT, работать а режиме реального времени.

Компания RadiSys применила другой подход к разработке расширений реального времени: Windows NT загружается как низкоприоритетная задача под хорошо проверенной и известной вот уже лет 20 операционной системой реального времени iRMX. Все функции обработки и управления реального времени выполняются как высокоприоритетные задачи под iRMX, изолированные в памяти от приложений и драйверов Windows NT механизмом защиты процессора. Данный подход имеет то преимущество по сравнению с решением VenturCom, что задача реального времени не зависит от работы Windows NT: в случае сбоя или катастрофической системной ошибки в работе Windows NT управляющая задача реального времени будет продолжать работать. Это решение позволяет информировать основную задачу о проблемах, возникших в работе NT, и оставлять только за ней право продолжения работы или останова всей системы.

Следует отметить, что в SCADA-системах требование жесткого реального времени (т.е. способность отклика/обработки событий в четко определенные, гарантированные интервалы времени) относится, как правило, только к удаленным терминалам; в диспетчерских пунктах управления (MTU) происходит обработка/управление событиями (процессами, объектами) в режиме мягкого (квази-) реального времени.

Прикладное программное обеспечение

Ориентация на открытые архитектуры при построении систем диспетчерского управления и сбора данных позволяет разработчикам этих систем сконцентрироваться непосредственно на целевой задаче SCADA сбор и обработка данных, мониторинг, анализ событий, управление, реализация HMI-интерфейса.

Как правило, целевое программное обеспечение для автоматизированных систем управления разрабатывается под конкретное применение самими поставщиками этих систем.

Аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля (АПК-ДК) является последней реализацией функций диспетчерского контроля на современном техническом уровне.

Использование средств вычислительной техники расширило функциональные возможности системы АПК-ДК не только для поездного диспетчера, но позволило решить и основные задачи контроля состояния технических средств систем ЖАТ на перегонах и станциях диспетчерского участка.

Таким образом, система АПК-ДК имеет двойное назначение и обеспечивает:

- оперативный съем информации на сигнальных точках перегонов о состоянии рельсовых участков, светофоров и других средств и передачу ее на станции для последующего использования для контроля поездного положения и технического диагностирования перегонных устройств;
- оперативный съем информации на станциях о состоянии путевых объектов и технических средств и передачу ее поездному диспетчеру и диспетчеру дистанции сигнализации, связи и вычислительной техники;
- обработку и отображение информации, у пользователей, по ведению исполняемого графика движения; расчету прогнозного графика по текущему поездному положению; расчету показателей работы участка и выдаче справок; логическому определению ложной свободности участка и опасного сближения поездов; анализу работы устройств; определению предотказного состояния устройств; обнаружению отказа; оптимизации поиска и устранению отказа; архивации и восстановлению событий; статистике и учету ресурсов приборов.

На станциях, то есть на первом (нижнем) уровне управления перевозочным процессом (рисунок 3.1) выполняются сбор, преобразование, концентрация информации о состоянии перегонных и станционных устройств. Далее эта информация может быть отображена на АРМах дежурного по станции и дежурного электромеханика, но обязательно передается на второй уровень управления, т.е. поездному диспетчеру, и на АРМ диспетчера дистанции сигнализации, связи и вычислительной техники.

Состояние перегонных устройств систем ЖАТ контролируют автоматы контроля сигнальных точек (АКСТ), выполненные на базе специализированных контроллеров. Наибольшее распространение имеет блок АКСТ-СЧМ, представляющий собой генератор частоты, формирующий посылаемые в линию связи циклические восьми импульсные частотные посылки в соответствии с состоянием контролируемых объектов. При восьми выходных импульсах благодаря манипуляции по длительности импульсов и пауз (интервалов) АКСТ-ЧМ позволяет контролировать состояние семи дискретных датчиков (реле) и двух пороговых датчиков.

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы АПК ДК

При проектировании АПК-ДК определяется перечень параметров, контролируемых каждым АКСТ-СЧМ.

Для систем автоблокировки параметры выбирают из следующего перечня: отсутствие основного питания на сигнальной точке; отсутствие резервного питания; перегорание основной нити лампы красного огня; перегорание резервной нити лампы красного огня; перегорание нити лампы разрешающего огня; установленное направление движения; сход изолирующего стыка; пропадание постоянного напряжения блока БС-ДА; занятость блок участка; неисправность АКСТ-СЧМ или линии ДСМ; пропадание обоих фидеров питания на объектах с аккумуляторным резервом; аварийный отказ.

При проектировании для каждого АКСТ-ЧМ устанавливается несущая частота (частота настройки генератора), поскольку все АКСТ перегона работают по общей физической линии с частотным разделением каналов.

На одной физической цепи может работать до 30 АКСТ-ЧМ со следующим разделением частот.

На станциях (линейных пунктах) принимается и анализируется информация от АКСТ-СЧМ соответствующими концентраторами (промышленный компьютер). Структурно система состоит из устройства съема данных и удаленного от него на расстояние около 1 км рабочего места маневрового диспетчера. Связь осуществляется по четырехпроводной линии.

В качестве устройства съема данных используется MicroPC, содержащее:

1) процессорную плату 5025А;
2) две платы дискретного ввода-вывода 5600;
3) четыре OPTO RAС, специальным образом подключенных к дискретным датчикам.

Следует отметить, что для контроля над работой только одной половины сортировочной станции, включающей в себя три парка (парк приема, сортировочный парк и парк отправления), необходимо контролировать около полутора тысяч объектов. Если умножить это число на стоимость одного модуля оптронной развязки фирмы Crayhill, то получим цифру около 15000 долларов США. Цифра для разработчиков по нынешним временам, увы, не малая. Поэтому, разработчиками было принято решение при помощи стандартных модулей УСО организовать входную матрицу. Цена сразу упала на порядок, обошлись 96-го модулями I/O типа G4IDC5. Пришлось разработать и изготовить саму матрицу, однако затраты на это оказались несопоставимо меньшими, чем если бы задача была решена "в лоб". Оптронная матрица представляет собой модульную структуру, каждый из модулей которой позволяет подключать 16 дискретных сигналов постоянного или переменного тока напряжением от 12 до 30 В. Модули при помощи разъемов устанавливаются на "материнской" плате, которая в свою очередь стандартными кабелями OCTAGON SYSTEMS соединяется с OPTO RACами. Рабочее место маневрового диспетчера реализовано на ПЭВМ типа IBM AT с многотерминальной видеоплатой, поддерживающей работу четырех мониторов. После определения аппаратных средств у разработчиков встал вопрос о выборе операционной системы (ОС), под управлением которой будет функционировать система ДК. Исходя из требований к функциям системы ДК можно придти к выводу, что данная ОС должна

обладать, как минимум следующими возможностями:

- поддержка многозадачности;
- многопользовательский режим;
- масштабируемость;
- высокая производительность;
- работа в режиме реального времени;
- надежная и максимально быстрая передача больших объемов данных по низкоскоростному и не очень качественному каналу связи;
- простота подключения различных аппаратных устройств;
- работа на ограниченных системных ресурсах;
- надежная файловая система;
- возможность удаленного изменения версий программ;
- возможность интеграции с другими системами.

Всеми вышеперечисленными свойствами обладает ОС QNX, что и

определило ее выбор в качестве операционной среды реализации системы ДК. Многозадачность требуется в связи с тем, что система ДК должна параллельно выполнять несколько взаимодействующих задач, а именно:

- сбор и первичная обработка данных;
- ретрансляция данных;
- отображение поездного положения;
- регистрация неисправностей;
- фиксация технологических ситуаций;
- прием сообщений из Вычислительного Центра;
- ведение протокола работы.

Очень мощным является реализованный в QNX механизм обмена сообщениями, на базе которого система ДК была реализована в технологии клиент - сервер, повышающей надежность работы и позволяющей с незначительными издержками увеличивать как число устройств съема данных, так и потребителей информации. Поддержка многопользовательского режима требуется в связи с тем, что в системе одновременно могут работать несколько пользователей. Подключение дополнительных рабочих мест пользователей планируется осуществить на базе локальной сети, одним из узлов которой будет рабочее место маневрового диспетчера. Поддержка в QNX нескольких сетевых стандартов дает возможность для выбора: Ethernet, Arcnet, Token Ring и т.д.

Требование высокой производительности и работы в режиме реального времени становится понятным, если принять во внимание число контролируемых датчиков и заданную частоту съема их показаний - не менее 5 раз в секунду. Причем изменения состояний нескольких десятков датчиков происходят практически при каждом опросе. Проблему надежной передачи данных по каналу связи разработчикам удалось решить при помощи объединения в сеть QNX устройства съема и рабочего места диспетчера, что позволило использовать системный сетевой протокол и реализовать этот обмен независимым от среды передачи данных для прикладных программ. Сеть по последовательному каналу довольно устойчиво работает при скорости передачи данных в 4800 бод. Для увеличения пропускной способности сети мы использовали реализованный сетевым драйвером механизм сжатия/разжатия данных, являющийся прозрачным для прикладных программ.

Не обошлось и без некоторых сложностей. ОС QNX гарантирует, в случае если при передаче сообщения какая-нибудь задача окажется заблокированной, то система через некоторое время автоматически снимет блокировку, вернув код ошибки. К сожалению, данный механизм не всегда срабатывает. Задача может зависнуть в таком состоянии на неопределенно долгое время. Разработчикам пришлось отслеживать и исправлять данную ситуацию программным способом. По их мнению, возможно, это объясняется наличием ошибки в сетевом драйвере Net.fd версии 4.22 и при переходе на версию 4.23 удастся от нее избавиться. Желание создать систему, не привязанную жестко к конкретным аппаратным средствам, приводит к необходимости написания драйверов устройств. Тот, кто писал и отлаживал драйверы устройств под DOS, знает - особенное неудобство доставляет то, что интерфейс ОС для драйверов и прикладных программ различный. Что касается QNX, то написание и отладка драйверов ничем не отличается от написания и отладки остальных программ. Программный интерфейс общий для всех программ. Довольно быстро были написаны драйверы для платы Octagon 5600 и многоэкранной видеокарты. Так как в состав QNX входит большое число менеджеров устройств и различных драйверов, то во многих случаях можно просто воспользоваться предоставляемым сервисом, а не разрабатывать собственное программное обеспечение. Для подключения модема и организации сети между устройством съема и рабочим местом диспетчера использовался стандартный менеджер последовательных каналов.

Вследствие того, что QNX имеет небольшой размер и модульную структуру, стало возможным установить данную ОС на Micro PC. Ядро ОС, модуль сетевой поддержки, менеджер встроенной файловой системы и прикладные программы удалось разместить всего в 256Кб флеш-памяти и 100Кб статического ОЗУ. При работе требуется немногим более 1Мб оперативной памяти. Инсталляция программного обеспечения на Micro PC производилась при помощи удобного средства EKit - пакета для установки QNX во встраиваемые системы. Возможность удаленного изменения версий программ в нашем случае крайне необходима, так как Micro PC в рабочем режиме не имеет ни экрана, ни клавиатуры, ни дисковода. Прозрачный доступ к файлам в сети QNX значительно облегчает работу, а менеджер встроенной файловой системы Efsys позволяет перепрограммировать флеш-память и статическое ОЗУ при помощи обычной команды копирования файлов. После перезаписи имеется возможность программной перезагрузки удаленного компьютера с обновленной версией. С организацией программного перезапуска у разработчиков возникли некоторые проблемы. Попытка его осуществления практически всегда приводила к тому, что перезапускаемая машина зависала намертво. Это затруднение удалось обойти установив параметр отмены "горячей" перезагрузки при генерации образа ОС. Одной из основных задач, поставленных перед проектировщиками системы ДК, была задача предусмотреть возможность ее интеграции c уже имеющимися программными разработками. В качестве одной из таких разработок можно привести систему ведения графика исполненного движения, реализованную другими разработчиками в среде Windows NT. Учитывая негативный опыт, полученный при реализации собственных протоколов под DOS, было принято решение применять для стыковки исключительно стандартные протоколы. Де-факто, такими стандартными протоколами является семейство протоколов TCP/IP, что явилось еще одним весомым доводом в пользу системы, обеспечивающей их поддержку. Пакет TCP/IP для QNX предоставляет разработчику не только возможность программировать на уровне Socket API, но и использовать преимущества сетевой файловой системы (NFS), вызовов удаленных процедур (RPC) в стандарте ONC, многих полезных служб, например, telnet и ftp. Система ДК, реализованная на базе передовых аппаратных и программных технологий способствует получению диспетчером достоверной информации и значительно облегчает управление оперативной работой станции. Ведение протокола работы позволяет обнаружить "узкие места" и избежать не нужных материальных затрат. В перспективе появляется задача автоматического формирования многочисленных документов, которые до сих пор заполняются вручную.