ClearSCADA - инструмент объектного проектирования систем управления технологическими процессами

Положение дел на рынке инструментов для АСУ ТП

Все представленные в настоящее время SCADA системы, по сути, недалеко ушли от систем КИПиА и щитовых АСУТП 70 - 80 г. Поменялись протоколы, изменился HMI, улучшилась надежность, однако принципы остались теми же. Очевидно, что SCADA развиваются в соответствии с требованиями людей, которые используют ее во всех аспектах, это разработка использование и поддержка. Соответственно всех пользователей SCADA можно разделить на три основных группы:
 

Разработчики

• занимаются сбором данных для реализации АСУТП проекта
• создают БД точек ввода-вывода
• создают инструменты отображения и отчеты (HMI)
• создают математический аппарат и модели для объектов производства (если их требует заказчик)
• осуществляют доработки по требованию заказчика

Заказчики

• Выдают или заказывают разработчикам ТЗ или ТРП на АСУТП
• Являются конечными пользователями АСУТП

Системные администраторы

• Поддерживают АСУТП и БД в рабочем состоянии, осуществляют локальную подстройку АСУТП согласно текущей ситуации, выполняя пользовательские инструкции, полученных от разработчика.
• Осуществляют миграцию на новые версии продукта
   

Как правило, SCADA систему при разработке ориентируют именно на конечного пользователя (заказчика), оставляя в стороне остальные этапы Наиболее известнымим решениями такого типа стали продукты iFix компании Intellution Inc.; InTouch (Wonderware Software Development Corp.); FactoryLink (United States Data Corp.); Plantworks (IBM); OnSpec (Heuristics Inc.); Iconics (Genesis); Paragon (Intec Controls Corp.).

Из отечественных продуктов следует отметить систему «ОПЕРАТОР» Института Проблем Управления РАН, систему TraceMode московской фирмы AdAstra.

Совершенствуются системы вывода графической информации, добавляются новые функции для отображения системных событий и тревог, дополнительные сервисные службы для операторов и т.д.

В принципе, это правильный подход, т.к. заказчику совершенно неважно каким образом информация от ТОУ попадет на экран конкретного АРМа. Заказчик оценивает надежность и интуитивность интерфейса, который создает разработчик.

Однако в последнее время требования рынка к SCADA изменились, что послужило толчком к развитию новых типов этих систем. Простой сбор и отображение данных не удовлетворяют заказчика. ТОУ достигли такого уровня автоматизации, при котором возможно создавать многокритериальные и многоплановые модели объектов, наполняя их реальными данными. Модели объектов необходимы для расчета и оптимизации управления в соответствии с текущим состоянием ТОУ и целями компании. Такой подход существенно снижает издержки и затраты при повышении качества продукта, что в конечном итоге ведет к росту конкурентоспособности всей кампании.

В соответствии с требованиями появляются SCADA нового поколения и системы управления, основанные на них позволяющие построить единый интегрированный механизм управления предприятием.

Мечта разработчика: от обследования ТОУ к решению по управлению

На рис.  представлен упрощенный цикл работ по разработке АСУТП. Идеальным с точки зрения разработчика являлся бы такой инструмент, который автоматизирует все этапы от концептов системы до пуско-наладки и обеспечит цикл её поддержки. Очевидно, что полностью автоматизировать этап обследования не получится, но инструменты для формализации и структурирования знаний необходимы и жизненно важны. На этапе реализации необходимы инструменты позволяющие преобразовать знания о ТОУ в конкретные алгоритмы и структуры данных.

К сожалению, на рынке пока не представлено инструментов подобного типа. Не менее важна и поддержка работающего проекта, т.к. из-за сложности современных ТОУ, проект без ошибок практически не возможен. Кроме того, зачастую случается, что предоставляемые заказчиком данные неверны или искажены, или ТОУ изменился во время обследования. Соответственно необходим механизм быстрого перехода от знаний к алгоритму и корректировка всего проекта. Решения, которые существуют на рынке, не располагают такими возможностями.

Во время эксплуатации ТОУ меняется в результате устаревания оборудования и замены его новым. Часто заказчик выдвигает дополнительные требования к системе АСУТП во время эксплуатации. В таких случаях необходима полная или частичная переработка проекта иногда сопоставимая по затратам с новым проектом такого же масштаба.

Обобщенная структура АСУ ТП

Представим обобщенную структуру традиционной АСУ ТП, сконструированной на основе SCADAсистемы (см. рисунок)

Слева стрелками показан каскад управления , а справа поток данных. Управление может быть как автоматическим, так и ручным. В ClearSCADA используется следующая архитектура, которая была специально разработана для поддержки распределенных систем телеметрии и сбора данных.

На сервере выполняется ядро системы, обеспечивающее доступ к СУБД и реализацию логики .объектов. БД системы можно разделить на две части. БДРВ обеспечивающая обмен данных с контроллерами и БД где хранятся системные объекты и пользовательские настройки. Пользователь осуществляет доступ к объектам системы посредством клиентских приложений. В качестве клиентов может выступать как View X, так и обычный браузер с установленной компонентой ActiveX

ClearSCADA SCADA нового поколения

Общий взгляд на ClearSCADA: структура, функции, системные особенности.

Основной задачей разработчиков ClearSCADA было упростить интерфейс проектировщика и сократить время проектирования. В результате появилась ООП концепция представления данных и объектов системы. Древовидное представление структур и описаний позволяет быстро ориентироваться в сложных проектах. Карточка объекта, в которой перечисляются все его свойства и методы с подсветкой ошибок пользователя, позволяет легко настроить нужные параметры. Возможность совместной работы над одним объектом позволяет разделять обязанности проектировщиков. Клиент серверная архитектура позволяет вносить изменения и отлаживать проект удаленно. Мощные механизмы работы с графикой с поддержкой динамического масштабирования и слоев позволяют рисовать сложные и при этом интуитивно понятные интерфейсы оператора.

Обработка информации по алгоритмам пользователя

ClearSCADA поддерживает концепции ООП: наследование и полиморфизм. Пользователь может объявить собственный тип объекта с методами и полями как структурированный набор предопределенных «атомарных» типов. А затем создавать экземпляры классов этого объекта с наследуемыми свойствами и методами. Модифицированный экземпляр класса в свою очередь может стать родителем нового типа. Таким образом, единожды разработав библиотеку объектов, проектировщик может пользоваться ей в нескольких проектах. Такое решение позволяет значительно ускорить разработку, как мнемосхем, так и логики сложных объектов.

Предоставление информации в виде мнемосхем технологического процесса

В первую очередь любая SCADA это пакет позволяющий разработать и исполнять HMI. Основные достоинства ClearSCADA это использование т.н. слоев (как ,например, в Photoshop) что позволяет, во-первых, накладывать на одну подложку несколько различных аспектов функционирования объекта (что важно, когда на одной мнемосхеме необходимо нужно разместить большое количество информации), а ,во-вторых, вести одновременную разработку мнемосхемы не боясь испортить рисунок коллеги.

 Второй важный момент это поддержка динамического масштабирования, что позволяет создавать интуитивно понятную визуализацию объекта.

 

Третья особенность обусловлена объектно-ориентированной концепцией ClearSCADA

Все графические примитивы являются еще и объектами, что позволяет дополнять их функциями и методами, соответствующими реальным объектам.

Оперативное, диспетчерское управление процессами

Оператор может управлять ходом ТП посредством любого доступного интерфейса. В качестве базовых используются ViewX и WebX. Все действия пользователя регистрируются, что позволяет анализировать действия пользователя в той или иной ситуации. Все критические события квитируются оператором. Если оператор по какой то причине не находится на рабочем месте, система в автоматическом режиме перенаправит тревогу на пейджер, Е-мэйл или телефон.

Ведение истории технологического процесса

Исторические данные по процессам сохраняются в соответствии с пользовательскими настройками точек съема. Для каждой переменной можно задать интервал сохранения данных, и методы (по изменению, адаптивный, непосредственное сохранение «сырых» данных), чувствительность (например, сохранять данные при изменении в % отношении и т.д.) Реализован OPC HDA интерфейс для интеграции с другими приложениями и последующего анализа в приложениях сторонних разработчиков.

Формирование отчётной документации

В ClearSCADA встроены механизмы позволяющие формировать отчеты в табличном виде (т.н. листы) и виде графиков. Графики формируются простым перетаскиванием на рабочую область точек ввода-вывода или логических переменных на рабочую область графика. При этом происходит автоматическое масштабирование, и при размещении нескольких точек одновременно возможно наложение графиков.
Листы могут быть сформированы автоматически по всему проекту или по конкретному объекту. Они поддерживают сортировку и пользовательские фильтры. Лист это не статичная таблица, а набор объектов, поэтому из него можно напрямую обращаться к переменным и вызывать их методы. Также поддерживаются отчеты в Crystal Reports фактически являющихся стандартом для АСУТП и бизнес систем.

Посредством возможен экспорт данных и публикация отчетов в формате MS ExcelClearSCADA встроены механизмы позволяющие формировать отчеты в табличном виде (т.н. листы) и виде графиков. Графики формируются простым перетаскиванием на рабочую область точек ввода-вывода или логических переменных на рабочую область графика. При этом происходит автоматическое масштабирование, и при размещении нескольких точек одновременно возможно наложение графиков.Листы могут быть сформированы автоматически по всему проекту или по конкретному объекту. Они поддерживают сортировку и пользовательские фильтры. Лист это не статичная таблица, а набор объектов, поэтому из него можно напрямую обращаться к переменным и вызывать их методы. Также поддерживаются отчеты в Crystal Reports фактически являющихся стандартом для АСУТП и бизнес систем. Посредством ODBC возможен экспорт данных и публикация отчетов в формате MS Excel

Экспорт информации в Web

ClearSCADA сервер фактически является еще и Web сервером , предоставляющим информацию в виде XML или HTTP. Web интерфейс обладает полной функциональностью VewX клиента, но не позволяет изменять данные. Для корректного отображения данных необходимо поставить набор библиотек ActiveX из дистрибутива ClearSCADA. Для обеспечения безопасности соединения есть возможность включить SSL шифрование для Web доступа.

Сигнализация и регистрация нарушений, событий в ходе технологического процесса

ClearSCADA позволяет задавать секвенции событий для генерации алармов. Для всех объектов объявляются т.н. события (аналогично модели событий в операционных системах) которые являются инициаторами того или иного действия в т.ч. и алармов. Алармы структурируются с помощью приоритетов (важности), по времени и по объекту породившему аларам. Интересны механизмы визуализации алармов. Первый это аларм лист он отображает все алармы системы. Второй, т.н. аларм баннер, он отображает алармы в соответствии с пользовательским настройками, т.е. только те, которые востребованы конкретным оператором. С любого из них можно перейти на объект, который породил аларм или акцептовать его. Акцепт это подтверждение оператора, что он увидел и отработал событие. В ClearSCADA существует мощный механизм перенаправления алармов, позволяющий например, отправить сообщение на пейджер или позвонить оператору, если происходит критическое отклонение

Регистрация действий операторов

• Ручной ввод
• Квитирование операций, алармов
• Вызов методов объектов
• Изменение структуры БД
• Перезапись переменных

Все действия операторов заносятся в специальный журнал, который позже может быть выведен в виде отчета.

Механизм аутентификации пользователей

ClearSCADA поддерживает стандартный механизм аутентификации пользователей и систему безопасности аналогичной windows. Настройки безопасности определяются на уровне ресурсов и групп. Поддерживается наследование правил доступа. Как обычно поддерживается стандартная группа правил просмотр/изменение. Дополнительно к каждому объекту в зависимости от его свойств добавляются различные правила. Например, для точки съема данных можно выставить правило для различных пользователей «возможность ручной подстройки».

Прогноз развития основных параметров

Существует специальный встроенный инструмент прогнозирования, который позволяет строить по заданной функции значения технологических параметров на основе исторических данных, хранящихся в БД. Возможно отображение этих данных в виде тренда и наложение на реальные данные для прогноза и анализа ситуации.

Определение на языке ПЛК (например, LD) функциональности «низа».

Как клиент-серверное приложение ClearSCADA поддерживает сценарии двух типов: исполняемые на сервере и исполняемы клиентом. В качестве языка сценария для клиента выступает расширенный функциями ClearSCADA VB. В качестве языков серверных сценариев могут выступать языки стандарта IEEC006 например FBD,LD,ST т.е. все языки посредством которых обычно осуществляется программирование логики контроллеров. Клиентские скрипты служат для расширения базовых возможностей интерфейса пользователя и исполняются на АРМах. Серверные скрипты используются для описания моделей и исполняются они непосредственно на сервере.

Открытость

ClearSCADA открытая система. Несмотря на то, что она не позволяет использовать внешние СУБД в качестве системной БД, она предоставляет полный доступ к своей БД посредством ODBC драйвера и OPC протокола. Определенные на сервере функции над объектами можно вызывать как хранимые процедуры. Помимо стандартных переменных ввода-вывода (тэгов) ClearSCADA предоставляет все созданные на сервере объекты. Имеется возможность использовать внешние СУБД как источники данных.

ClearSCADA при установке регистрирует в системе VBA библиотеки с функциями доступа и управления сервером. Таким образом можно интегрировать в стандартные Word или Excel отчеты данные получаемые с контроллеров.

Как легко подключится к другим типам ПЛК

ClearSCADA поставляется с комплектом драйверов, которые запускаются как системные службы. Также в комплекте предоставляется специальный инструментарий для разработки новых типов драйверов. Необходимо отметить, что поставляемые драйвера делятся на две группы простые(simple) и расширенные (advanced).Простые драйвера это службы для получения информации по базовым протоколам (напр. MODBus), а расширенные драйвера это надстройки к базовым, которые предоставляют дополнительные возможность для опр. типа контролеров поддерживающих современные протоколы (напр DNP3).

Системны требования

Процессор Pentium 4 processor or equivalent
Память 512MB of RAM
HDD 400MB free space on HD
ОС: Windows XP, Windows2000 SP2+ или Windows 2003 Server 

 

Заключениее

ClearSCADA не является принципиально новым продуктом на рынке. Похожие технологии сбора, обработки и визуализации данных встречаются и у конкурентов. Однако, это первая система нового поколения , которая собрала в лучшие черты современных систем. Масштабируемость, надежность, высокую скорость обработки данных. Это первый продукт который ориентируется не только на заказчика, но и на разработчика, позволяющий поддерживать цикл разработки проектов на качественно новом уровне. Объектно-ориентированная архитектура позволяет легко моделировать реальные объекты в терминах понятных как заказчику, так и разработчику. Современный HMI позволяет создавать интуитивно понятные интерфейсы оператора, а открытая архитектура позволяет интегрировать эти интерфейсы с другими системами предприятия. В заключение короткая табличка преимуществ ClearSCADA.

ClearSCADA	Другие SCADA приложения
Спроектирована специально для SCADA систем телеметрии	Спроектированы для поддержки любых типов систем, от малых установок, до распределенных SCADA решений
Автоматически создает алармы, их приоритеты, конфигурирует тренды, и свойства объекта «по-умолчанию» как только сформирован новый тэг	Алармы, конфигурация трендов и свойства отображения тэгов настраиваются отдельно и в различных местах
Быстрое создание шаблонов в одном месте для всех удаленных объектов, которые позволяют настроить контроллеры, алармы, графику, ведение журналов и тренды	Множественные шаблоны, которые должны быть установлены и сконфигурированы на конкретных местах их использования
Позволяет вносить изменения без остановки сервера, драйверов ввода/вывода или отключения клиентов	Различные варианты взаимодействия компонентов системы, иногда нужно рестартовать сервер чтобы принять изменения
Мнемосхемы (мимики) могут редактироваться в то время как данные реального времени буду поступать и отображаться	Мнемосхемы могут редактироваться только в оффлайн режиме, а затем просматриваться в режиме исполнения для корректировки и отладки
Считывание Dlog из контроллеров и сбор исторических данных в автоматическом режиме (исп DNP3 или ModBus) при потере связи(исторические данные не теряются)	Не поддерживается
Удаленная прошивка контроллеров	Не поддерживается

 

Краткая аннотация

Архитектура

• Клиент/серверная архитектура
• Режим работы «изолированный» сервер
• Поддержка тройного резервирования
• Возможность добавления новых серверов для распределения нагрузки
• Полностью автоматический обмен данными между серверами при резервировании.

Это конфигурационные данные, данные реального времени исторические данные и списки событий.

Масштабируемая полностью распределенная архитектура позволяет использовать любое требуемое количество серверов для поддержки любого количества клиентов.

Все сервера системы могут быть сконфигурированы с одного клиента.
Управление сетевым трафиком серверов для оптимизации загрузки сети.
 

База данных

ClearSCADA БД это реляционная объектно-ориентированная база данных спроектированная для обработки операций реального времени. Она иерархически организована и поддерживает шаблоны, позволяющие пользователю автоматически осуществлять рутинные конфигурационные задачи.
 

Операторские интерфейсы

• ClearSCADA поддерживает множественные локальные и удаленные интерфейсы.
• Позволяет отображать данные внутри ЛВС во внешних сетях или через модем.
• Клиентам не обязательно иметь серверную часть на локальной машине.
• Встроенный Web сервер позволяет отображать данные без дополнительно устанавливаемого оборудования.
• Web клиент позволяет просматривать все объекты системы.
• Изменения, внесенные на сервере, автоматически отображаются во всех клиентах без всякого дополнительного конфигурирования и остановки сервера.
• В режиме резервирования клиенты автоматически переключаются на дублирующий сервер при отказе основного.
   

ClearSCADA БД это реляционная объектно-ориентированная база данных спроектированная для обработки операций реального времени. Она иерархически организована и поддерживает шаблоны, позволяющие пользователю автоматически осуществлять рутинные конфигурационные задачи.
 

Мимики

Мимики поддерживают множество графических примитивов и задач. Масштабируемая векторная графика позволяет использовать один и тот же проект для систем с разным физическим разрешением экрана. Мимики содержат несколько слоев, а также являются контейнерами для объектов системы. Их можно встраивать в другие мимики (вложение).

Мимики поддерживают следующие виды анимации:

• Изменение типа и цвета заливки
• Вращение
• Позиционирование
• Работа с текстом
• Прозрачность
• Альфа-наложение
• Многокадровое наложение
• 24-битный цвет
   

Загрузка

ClearSCADA запускается в соответствии с системными настройками безопасности, как служба Windows.Сервер запускается независимо от других системных служб. Выгрузка клиента не влияет на других подключенных клиентов. Необходимы привилегии администратора для остановки сервера.
 

Конфигурирование

Конфигурация осуществляется локально или удаленно с клиентов. Изменения автоматически переносятся на все сервера в случае конфигурации с резервированием. Все изменения автоматически отображаются для любого клиента без дополнительных настроек и копирования файлов. Система полностью конфигурируема в ней минимум жестко запрограммированных компонентов. Пользователь имеет возможность создавать собственные структуры в БД, которые будут доступны для конфигурации и публикации по всем интерфейсам сервера. Сервер имеет инструменты диагностики которые доступны как локально, так и удаленно через Web и telnet.
 

Управление алармами

Система управления алармами предоставляет инструменты для создания и управления управляющими секвенциями на основе системных событий. Эти инструменты позволяют:

• конфигурировать условия создания алармов
• выставлять многоуровневые приоритеты алармов
• доставлять алармы с помощью SMS и Е-мэйл
• аларм может инициировать выполнение других алармов и последовательностей

Если используется решение с несколькими серверами, алармы существуют в едином пространстве, в не зависимости от того какой конкретно сервер породил аларм.

• Все алармы квитируются.
• Алармы доступны через Web интерфейс.
   

Интеграция

Чтобы обеспечить легкий доступ к технологическим данным и возможность интеграции со сторонним ПО, ClearSCADA предоставляет следующие интерфейсы:

• OPC Data Access (OPC-DA)
• ODBC to the SCADA server real-time / configuration database
• OPC Historic Data Access (OPC-HDA) to historian
• OPC Alarm & Event (OPC-AE) to event sub-system
• OLE Automation interface to the SCADA server database
• ODBC / SQL to the SCADA historical database
• DDE