Проблемы компьютерной автоматизации. Технологии автоматизации.
Оживление в сфере производства всегда сопровождается повышением интереса к системам автоматизации производственных и технологических процессов. Эффективность производства, его рентабельность, качество и количество выпускаемой продукции и его конкурентоспособность в значительной мере определяется выбранными решениями и качеством автоматизированных систем управления различного уровня.
Современные возможности аппаратных и программных средств вычислительной техники предоставляют разработчикам автоматизированных систем управления (АСУ) различного уровня возможности о которых совсем недавно можно было только мечтать. Доступность широкого комплекса средств вычислительной техники производственного назначения в защищенном исполнении (панельные компьютеры, УСО - модули сопряжения с производственными объектами, интеллектуальные программируемые контроллеры, Fieldbus – специализированные промышленные сети, модемы и т.д.) позволяет в короткие сроки создавать техническую основу АСУ с гибкой структурой и высокой надежности, с надежной защитой от неблагоприятных факторов внешней среды (пыль, влага, удары, вибрация, электрические помехи и т.д.). Такие известные лидеры в производстве промышленных компьютеров и средств промышленной автоматизации как Advantech, Siemens, Schroff и др. поставляют на рынок широчайшую номенклатуру устройств и компонентов АСУ.
Большинство современных предприятий, использующих сложные технологии, качество которых зависит от большого числа параметров процесса, выдерживаемых с большой точностью, в первую очередь автоматизируют именно управление технологическими процессами и создают автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Расширяется производство, возникает необходимость вести точный учет сырья, энергоносителей, электроэнергии, и выпущенной продукции за каждую смену. Решение всех этих задач невозможно без использования современных методов и средств автоматизации.
Системы АСУ ТП, от самых простых до самых сложных, представляют собой аппаратно-программные комплексы, решающие проблемы управления самого различного характера. Конечные пользователи самой важной характеристикой компьютерных систем управления считают надежность их функционирования и достижение оптимальных результатов управления техпроцессом. Надежность функционирования таких аппаратно-программных комплексов в равной степени определяется как надежностью аппаратуры, так и надежностью и корректностью программного обеспечения. Затраты на создание программного обеспечения АСУ ТП достаточно высоки и зачастую являются барьером при принятии решения об автоматизации процесса.
Как сделать так, чтобы затраты на программное обеспечение АСУ ТП стали более приемлемыми для большинства предприятий? Один из путей удешевления разработки проектов – использование специальных инструментальных средств (SCADA-систем). АСУ ТП в большинстве случаев являются системами организационно-техническими и часть функций, системы выполняются человеком (оператором). Раньше функции управления технологическим процессом заключались в основном в наблюдении за контрольно-измерительными приборами и непосредственном ручном управлении параметрами технологического процесса.
Сейчас на рабочих столах операторов появились компьютеры и взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее название SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition System - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления). SCADA – системы первоначально понимались как инструмент для разработки программного обеспечения рабочих мест диспетчеров верхнего уровня управления АСУ ТП, а нижний уровень управления реализовывался на основе программируемых другими программными средствами промышленных контроллеров и интеллектуальных датчиков. С появлением IBM PC совместимых контролеров и стандартных средств коммуникаций стала возможной унификация программного обеспечения для операторских персональных компьютеров, промышленных контроллеров и интеллектуальных датчиков. Таким образом появилась технология сквозного программирования.
Существует достаточно много сторонников и противников применения специализированного программного обеспечения класса SCADA среди специалистов отечественных предприятий,
занимающихся автоматизацией промышленности. Даже у тех, кто уже применяет такое программное обеспечение в своих проектах, нет единого мнения по поводу того, как должна выглядеть и каким требованиям должна отвечать «идеальная» SCADA-система. Задачу автоматизации производства каждый волен решать по своему и не существует видимо единственно правильного подхода к проектированию систем автоматизации производственных процессов.
Различают программное обеспечение SCADA, функционирующее в составе АСУ ТП конкретного объекта, и набор инструментальных программных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения. К нструментальным средствам разработки SCADA-систем используют свои специфические критерии оценки и их пригодности для реализации той или иной прикладной задачи, которые отличаются от требований к прикладному программному обеспечению верхнего уровня АСУ ТП. Обе разновидности программного обеспечения SCADA тесно связаны друг с другом (компоненты инструментальной системы непосредственно используются в объектовом программном обеспечении).
Основные общие функции SCADA-систем.
Две основные функции, возлагаемые на любую по сложности SCADA-систему:
- сбор данных о контролируемых технологических процессах;
- управление технологическими процессами, реализуемое ответственными операторами на основе собранных данных, алгоритмов и критериев, выполнение которых обеспечивает оптимальную эффективность и необходимую безопасность технологических процессов.
SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, фиксирует историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом.
Наличие конкретных функций и способы их реализации в системах автоматизации различны.
Программное обеспечение реализующее в основном функции взаимодействия с oпeратором называют пакетами MMI (Man Machine Interface), или HMI (Human Machine Interface). SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем промышленной автоматизации находятся на уровнях 2 и 3 (см. рис.1.) и обеспечивают выполнение следующих функций:
- прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков и сохранение принятой информации в архивах;
- программная обработка принятой информации и графическое представление хода технологического процесса, а также архивация принятой информации в удобной для восприятия форме;
- прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов и формирование управляющих воздействий в режиме реального времени (автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами);
- регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы., оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУТП, а также регистрация действий персонала в аварийных ситуациях;
- формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации, обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием.
Все известные инструментальные SCADA-системы обеспечивают возможность непосредственного автоматического управления технологическим процессом.
Практический опыт разработчиков и специалистов эксплуатирующих АСУ ТП говорит о том, что нецелесообразно и опасно совмещение функций автоматического управления и операторского интерфейса на одном компьютере. Хотя такое совмещение позволяет экономить на аппаратных средствах, оно может иметь и ряд негативных последствий. Некорректные действия оператора или запуск им нештатного программного обеспечения может вызвать полный крах системы или зависание операторской станции. Некоторые расширения реального времени для Windows NT декларируют защиту от подобного рода неприятностей, при условии если не задета система управления памятью. Но даже при зависании повторный рестарт компьютера проблематичен. а если оператор инстинктивно нажмет кнопку Reset - против этого любые расширения реального времени бессильны.
Конечно существует довольно много систем в которых время, потраченное на перезагрузку системы, не сказывается на функционировании процесса, но есть техпроцессы в которых кратковременная потеря управления может привести к катастрофе или большим материальным потерям.
При принятии решения об использовании инструментальной SCADA-системы необходимо оценить реальные возможности и имеющиеся ресурсы (предполагаемый объем проекта, сроки исполнения проекта, наличие квалифицированных специалистов, наличие наработок и опыта в данной области, перспективы развития системы, квалификация обслуживающего персонала системы).
Оценка затрат в большинстве случаев позволяет принять решение, на чем писать математику для верхнего уровня АСУ ТП. Хотелось бы подчеркнуть, что SCADA-системы являются прежде всего инструментом для эффективной разработки программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП обеспечивающим использование типовых решений, но для разработки программного обеспечения нижнего уровня вероятно все же придется привлекать квалифицированных специалистов в области программирования.
В большинстве случаев SCADA-системы действительно позволяют значительно ускорить процесс создания программ для верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего назначения. В тонкостях автоматизируемого технологического процесса разбирается только технолог, как правило, не обладающий навыками программирования, поэтому SCADA-система должна быть доступной не только для специалиста-разработчика, но и для квалифицированного эксплуатационного персонала создаваемой АСУ ТП, поскольку в процессе эксплуатации появляется, как правило, необходимость в изменениях и модернизации.
SCADA-система используемая в качестве инсрументальной должна обеспечивать и максимальную открытость. Специалисты не рекомендуют использовать SCADA-системы со специфическими механизмами обмена данными с аппаратурой ввода-вывода и с встроенной поддержкой устройств ввода-вывода. Такие инструментальные системы ограничивают разработчика и пользователя в выборе технических средств, на базе которых строится система и затрудняют реализацию поддержки имеющихся на объекте контроллеров и устройств связи с объектом, а также и новых серий и моделей
контроллеров и устройств.
Рис. 1. Традиционная иерархическая структура построения апаратного комплекса АСУ ТП.
Проектировщики SCADA-системы, самостоятельно создающие программы-драйверы для различных типов устройств, обычно не могут качествено разработать драйвер, который бы корректно поддерживал бы все функциональные возможности обслуживаемой аппаратуры. В "самодельных" драйверах встречаются серьезные ошибки, которые выявляются лишь на этапе разработки проекта или уже в процессе эксплуатации системы. По-настоящему эффективный и практически свободный от ошибок драйвер поставляется только самим производителем аппаратуры.
Решая использовать при разработке SCADA-пакета нужно в первую очередь учитывать эти соображения реально оценивая полную функциональность SCADA-пакета.
Решающим при выборе SCADA-системы конечно является (при прочих равных условиях) стоимость системы, затраты на освоение и стоимость работ по созданию, сопровождению и развитию АСУ ТП.
Разработчики SCADA-систем (как и большинство из нас) конечно стараются извлечь максимальную выгоду из продаж своего продукта на продажах систем "под ключ" и продаже множества различных, функционально завершенных, компонентов. Практикуют платное обучение, платное обновление системы и платное ее сопровождение.
Обязанности главных специалистов фирмы системного интегратора или группы АСУ ТП предприятия, определяющих выбор способа и инструментов разработки программного обеспечения, в этом случае состоят в оценке предполагаемых временных и финансовых затрат на разработку, сопровождение и последующее развитие создаваемой АСУ ТП для различных вариантов используемого инструмента и способа разработки. Операционные системы, под управлением которых может выполняться программное обеспечение сбора данных и оперативного диспетчерского управления и их надежность имеют не меньшее значение чем надежность комплекса технических АСУ ТП и качество SCADA-системы (обсуждение тех или иных SCADA-систем часто сводится к рассуждениям о том, насколько плоха та или иная операционная система: ненадежна Windows, хороша QNX или OS-9). Требования к параметрам операционной системы определяются конкретной прикладной задачей. При выборе программного обеспечения для верхнего уровня АСУ ТП нельзя забывать, что неотъемлемой частью системы этого уровня является человек, время реакции которого на события в системе достаточно велико и зависит от квалификации, физического состояния и индивидуальных особенностей конкретного оператора. Создание действительно распределенной иерархической системы не возможно без операционной системы, например, такой как QNX канадской фирмы QNX Software Systems.
QNX позволяет эффективно использовать даже компьютеры с ограниченными аппаратными ресурсами, имеет встроенную поддержку сети, мощные средства разработки прикладных приложений (в том числе и графических), систему управления базами данных, гибкую систему управления приоритетами и прерываниями. В качестве хорошо зарекомендовавших себя средств разработки можно назвать импортные пакеты-SCADA RealFlex (США), Sitex (Англия), пакет GENIE фирмы Advantech, который называют "инструментом для начинающего прфессионала" предприятий с ограниченным бюджетом (за сочетание простоты, эффективности и доступной цены); пакеты визуализации: Sammi (США), Process Vision (Канада) и др.
Идеология построения инструментальных SCADA-систем в настоящее время основывается на популярном стандарте OPC (OLETM for Process Control – механизм связывания и внедрения объектов для сбора данных и управления в системах промышленной автоматизации). Стандарт OPC является аналогом технологии Plug-n-Play, но только в области программного обеспечения автоматизации производственных процессов. Стандарт основан на решениях предложенных фирмой Microsoft и поэтому хорошо соответствует операционным системам Windows, которые являются наиболее распространенной (и доступной по цене) платформой для SCADA-систем. Архитектура клиент-сервер, основанная на стандарте OPC, позволяет каждому производителю устройств иметь единственный драйвер, совместимый с стандартом OPC вместо множества драйверов при использовании традиционной технологии, поскольку устройства разных производителей имеют различные фиксированные протоколы обмена и архитектура приложений-клиентов тоже является уникальной для каждого конкретного случая. Большинство ведущих производителей аппаратуры для автоматизации в промышленности уже комплектуют совместимыми с OPC драйверами свои контроллеры, устройства сбора данных и управления. Комплекты программ разработчика, совместимые с OPC (например ToolWorX) позволяют создавать серверы для различных технических средств. Приложения совместимые с OPC, исполняемые на рабочих станциях локальной сети, могут иметь доступ к каналам ввода-вывода аппаратуры, обслуживаемой серверами OPC, которые исполняются на любых узлах сети. Имеется возможность получения информации и от удаленных серверов OPC и через глобальную сеть Internet. Не лишними в АСУ ТП окажутся встроенные средства администрирования и управления правами доступа к информации связанной с системой, обеспечивающие блокировку всех нежелательных действий в системе.
Для отладки проектов АСУ ТП достаточно часто используются тренажеры имитирующие работу реальной системы, эти же средства используются и для обучения персонала АСУ ТП, когда обучение на реальной системе слишком дорого или опасно. Для разработки тренажеров и средств отладки проектов используются инструментальные средства типа пакетов MMI/SCADA(человеко-машинный интерфейс – диспетчерское управление и сбор данных) и пакетов визуального моделирования.
В России к идеям автоматизации отношение двойственное, так как предыдущий опыт автоматизации производства во многом негативен по разным причинам (отсутствие в недалеком прошлом стимулов к повышению производительности и качества, отсутствие соответствующих аппаратно-программных средств автоматизации и инструментальных средств разработки и др.). Но главная причина неудачной автоматизации производства известна всем – нельзя автоматизировать беспорядок и не следует эффективно делать то, чего делать вообще не следует.
В современных условиях для массового внедрения систем автоматизации производственных процессов необходимы только изменения в законодательстве, стимулирующие развитие производства и его эффективность – все остальные условия для автоматизации производства уже есть.
Версия сайта для слабовидящих