Основы SCADA систем и их функции

Большинство систем автоматизации функционирует с участием человека. Взаимодействие между человеком и системой автоматизации называют человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ), а в мире это звучит как – Human Machine Interface, сокращенно HMI. На сегодняшний день, самым распространенным программным комплексом, реализующим человеко-машинный интерфейс, являются SCADA системы. SCADA – это акроним от выражения Supervisory Control And Data Acquisition, что дословно переводится на русский язык, как: диспетчерское управление и сбор данных. Но стоит отметить, что существующие SCADA системы помимо сбора данных и диспетчерского управления реализуют множество различных функций, далеко выходящих за рамки упомянутого выше определения.

Функции SCADA систем подразделяются на несколько групп:

• Адаптация SCADA системы под решение стоящих задач;
• Диспетчеризация объектов управления;
• Автоматизация процесса управления;
• Архивация истории протекающих процессов;
• Работа с функциями безопасности;
• Работа с общесистемными функциями.

Несмотря на наличие множества функций, которые выполняют SCADA системы, основным отличием SCADA от других систем является наличие пользовательского интерфейса. Если изъять пользовательский интерфейс, то все указанные выше функции совпадут с функциями, которые выполняют средства программирования промышленных контроллеров (ПЛК), и управление станет полностью автоматизированным в противовес диспетчерскому.

От качества принимаемых диспетчером решений зависит не только качество производимой продукции, но порой и человеческая жизнь. Именно поэтому комфортабельность рабочего места, простота и интуитивная понятность рабочего интерфейса, создание подсказок и блокирование допускаемых оператором ошибок – вот наиболее приоритетные свойства SCADA систем, дальнейшее развитие которых осуществляется в сторону большей эргономичности и улучшения экспертных подсистем.

Порой в комплектацию SCADA системы входят средства программирования контроллеров, однако подобные решения вызваны скорее коммерческим интересом, нежели напрямую связаны с основными функциями SCADA систем.

Основной функцией SCADA системы по праву считается создание человеко-машинного интерфейса (HMI), т.е. SCADA система выступает сразу в двух ролях – в роли HMI и в роли инструмента его создания. Скорость проводимых разработок в значительной степени влияет на конкурентоспособность фирмы (которой в большинстве случаев является системный интегратор), внедряющей системы промышленной автоматизации  (АСУТП), именно поэтому скорость разработки выступает в роли основного показателя с позиции системного интегратора качества SCADA системы. Процесс разработки SCADA систем включает в себя следующие операции:

• Разработка графического интерфейса (графики, всплывающие окна, мнемосхемы, таблицы, элементы ввода команд оператором и прочее);
• Процесс программирования и отладки алгоритмов работы системы промышленной автоматизации АСУТП. В большинстве SCADA систем отладку можно выполнить двумя вариантами – в режиме эмуляции оборудования или при подключенном оборудовании;
• Произведение настройки систем промышленной коммуникации (модемов, промышленных сетей и коммуникационных контроллеров);
• Процесс создания баз данных с дальнейшим подключением к ним SCADA системы.

Если рассматривать SCADA систему с точки зрения диспетчерского управления, то ей доступно выполнение следующих задач:

• Осуществление взаимодействия с оператором (представление слуховой и визуальной информации, трансляция системе команд оператора);
• Оказание помощи оператору в процессе выработки необходимого решения (выполнение функций экспертной системы);
• Автоматическое сигнализирование об аварии и случившихся критических ситуациях (подсистема алармов);
• Вывод на пульт оператора информации о состоянии процесса;
• Ведение журнала событий;
• Поиск и извлечение архивной информации, и предоставление её оператору в удобном для него варианте;
• Создание отчетов (графики смены операторов, таблицы температур, перечень необходимых действий оператора в определенной ситуации и прочее);
• Учет наработки технологического оборудования.

Большая часть имеющихся задач по автоматизации управления выполняется зачастую при помощи промышленного контроллера (ПЛК), но частично выполнение задач может быть возложено и на SCADA систему. Помимо всего прочего, многие небольшие системы управления могут вообще не иметь промышленного контроллера (ПЛК), поэтому промышленный компьютер, с установленной на него SCADA становится единственным средством управления процессом. В сфере автоматического управления (АСУТП) SCADA система, как правило, выполняет следующие функции:

• ПИД регулирование;
• Отслеживание последовательности выполнения операций в автоматизированной системе;
• Автоматическая перенастройка алгоритмов работы АСУТП к изменившимся условиям протекания управляемого процесса;
• Реализация автоматической блокировки исполнительных устройств во время выполнения ранее заданных алгоритмов.

Если знать предысторию объекта (процесса) управления, то можно значительно улучшить поведение системы в будущем, проанализировать и выявить причины возникновения ситуаций, связанных с безопасностью системы или появлением брака продукции, определить ошибки, сделанные оператором. Чтобы создать историю SCADA системой выполняются следующие операции:

• Сбор различных входных данных и произведение их обработки (цифровая фильтрация, нормализация, интерполяция, масштабирование, сжатие и прочее);
• Архивирование данных (действия оператора, файлы конфигурации, собранные и обработанные данные, электронные формы, отчеты, события, графики, алармы и т.д.);
• Управление различными базами данных (архивные базы данных и базы данных реального времени).

После того, как SCADA системы стали применять в системах удаленного доступа посредством сети интернет, то резко повысилась уязвимость SCADA к противоправным действиям со стороны злоумышленников. Относиться с пренебрежением к данной проблеме нет возможности, поскольку это может привести к серьезным сбоям в функционировании различных промышленных и инфраструктурных объектов. Что чревато человеческими жизнями и столь немалым экономическим ущербом. В SCADA системах применяются следующие способы для повышения уровня безопасности их работы:

• Осуществление разграничения уровней доступа к системе между различными категориями пользователей (оператор, программист, технолог и директор должны иметь различные уровни доступа к имеющейся в системе информации и к модифицированию настроек системы);
• Организация защиты информации (шифрование данных, обеспечение максимальной надежности от уязвимостей протоколов передачи информации);
• Проведение мер по обеспечению повышения безопасности оператора путем его отдаления от опасного процесса, которым он управляет (дистанционное управление или remote control). Что важно, применение дистанционного управления является стандартным требованием Ростехнадзора и осуществляется посредством проводной сети, сети интернет, через радиоканал (радио или GSM-модем) и другие виды связи;
• Применение специальных мер и методов защиты информации от атак злоумышленников;
• Использование файерволов и прочих сетевых защит.

Учитывая то, что SCADA система, как правило, единственная программа, управляющая системой промышленной автоматизации (АСУТП), то при определенных условиях не неё может быть возложено выполнение некоторых общесистемных функций, таких как:

• Осуществление необходимого взаимодействия между различными SCADA системами, или между SCADA системой и иными сторонними программами (базы данных, офисные приложения, программы для математических расчетов и другие);
• Проведение диагностики аппаратуры, алгоритмов программ и каналов связи.

Основные тенденции в процессе развития программного обеспечения, используемого в средствах промышленной автоматизации – упрощение и облегчение процесса программирования, обеспечение полной открытости инструментальных средств. Конечная цель – осуществление потребителем возможности построения системы промышленной автоматизации, удовлетворяющей всем необходимым требованиям в максимально сжатые сроки.

После долгой неопределенности витавшей в средствах программирования SCADA систем и промышленных контроллеров (ПЛК) был принят общепризнанный стандарт на языки программирования МЭК 61131-3 (IEC 61131-3) и созданы на его основе инструментальные средства программирования, поддерживаемые компаниями, которые специализируются на создании программного обеспечения для АСУТП.

Значительный вклад в вопрос открытости систем автоматизации был внесен стандартом ОРС (OLE for Process Control), что переводится как OLE для управления процессом, обеспечивший наличие широчайшего выбора аппаратного обеспечения, используемого системными интеграторами. Разработчики контроллерного оборудования получили, в свою очередь, от внедрения стандарта OPC расширение рынков сбыта. Стоит отметить, что данное аппаратное обеспечение совместимо с любыми стандартными SCADA системами.