SCADA расшифровывается как “Supervisory Control and Data Acquisition”.
Это очень длинное название, поэтому инженеры часто кратко называют ее “SCADA-системой” или просто “SCADA”.
В этом учебнике мы рассмотрим введение в SCADA-системы и архитектуру, SCADA-приложения и SCADA-программирование, то есть все основы, которые вам необходимо знать о SCADA-системах.
Эта статья даст вам представление как о технических, так и о бизнес-аспектах SCADA-систем.
Бизнес-сторона часто упускается из виду, а значит, компании упускают возможности (а значит, и деньги).
Так давайте же окунемся в эту тему.
Что такое SCADA системы?
SCADA расшифровывается как Supervisory Control and Data Acquisition и представляет собой систему мониторинга и управления, а также, как следует из названия, сбора данных. Она широко используется на предприятиях для мониторинга и управления производственными линиями и машинами. Хороший способ понять, что такое система SCADA и где она может использоваться, – это рассмотреть ее в связи с пирамидой автоматизации.
Системы SCADA находятся на уровне контроля и управления в пирамиде автоматизации. Пирамида автоматизации – это концепция, опубликованная в ISA-95 и IEC 62264-3, в попытке описать, как различные системы работают вместе. На вершине находятся все информационные системы для управления бизнесом, планирования и логистики. А внизу – все операционные системы. Системы SCADA находятся в самом центре пирамиды автоматизации. Именно там, где IT (информационные технологии) встречаются с OT (операционными технологиями).
Под системой SCADA находится вся операционная техника, такая как ПЛК, датчики и т.д. Задача SCADA состоит в том, чтобы управлять и контролировать все это OT. Но в то же время отправлять и получать информацию от MES или ERP-системы, расположенной выше. Информацию, которая имеет отношение к бизнесу и планированию. Например, заказ.
Как работает система SCADA?
Опять же, система SCADA – это место встречи и соединения информации и работы. Основы SCADA – это обмен информацией, возможность контроля и мониторинга. Особенно последнее – это то, как вы часто видите системы SCADA в использовании.
Физически система SCADA выглядит как экран. Чаще всего это несколько экранов, на которых оператор может управлять и контролировать все соответствующие компоненты агрегата, машины или даже целого завода. Это может быть визуализировано, например, с помощью P&ID (диаграммы трубопроводов и приборов). Самое важное, чтобы оператор понимал различные части системы SCADA и то, что они контролируют/мониторируют.
Все эти экраны, по сути, представляют собой HMI или человеко-машинные интерфейсы. Они представляют собой интерфейс между оператором и машиной. В прежние времена HMI представлял собой просто набор кнопок и контрольных ламп. Но сейчас часто можно встретить сенсорный экран либо на станке, либо в комнате управления.
Но если все эти экраны называются HMI, то что же тогда представляет собой SCADA?
Архитектура SCADA
Проще говоря, HMI является частью SCADA. Потому что если HMI – это просто экран или сам интерфейс, то SCADA – это приложение или целая система, стоящая за всеми этими экранами. Система SCADA может иметь множество HMI для управления и мониторинга различных частей предприятия.
При ближайшем рассмотрении архитектуры SCADA становится ясно, что она содержит гораздо больше, чем просто HMI. Это целая инфраструктура устройств, которые могут взаимодействовать между собой. Приложение SCADA обычно работает на сервере. Клиенты, такие как настольные компьютеры и экраны, могут функционировать как HMI, подключаясь к серверу. Поскольку рабочие устройства, такие как ПЛК и RTU, также подключены к серверу, мы можем использовать клиентов SCADA для управления и мониторинга операций.
RTU или удаленный терминальный блок похож на ПЛК. Вы можете подключить датчики к RTU, и он преобразует их сигналы в цифровые данные. Эти цифровые данные затем будут доступны для системы SCADA.
Исторически сложилось так, что система SCADA прошла через несколько основных этапов развития архитектуры.
- 1-е поколение: Монолитный1-е поколение: Монолитный
- 2-е поколение: Распределенные
- 3-е поколение: Сетевые
- 4-е поколение: Интернет вещей
Знание истории систем SCADA действительно позволяет понять, как они развивались. Как SCADA развивалась от простой монолитной архитектуры до облачной инфраструктуры. Но даже несмотря на появление четвертого поколения SCADA-систем, многие из существующих систем все еще относятся к третьему или даже второму поколению. Поэтому для тех, кто работает со SCADA-системами, очень важно быть знакомым со старыми системами.
Монолитная архитектура
Первые системы SCADA имели только одну станцию диспетчерского управления. Тогда еще не существовало ПК и сетей. Вместо ПК использовались станции на мэйнфреймах. Функции этих ранних систем ограничивались мониторингом датчиков. В наши дни такие системы можно встретить только в музеях.
Распределенная архитектура
С изобретением локальных вычислительных сетей (LAN) появились распределенные системы. Создание сетей означало, что теперь можно иметь несколько станций управления и контроля. Теперь можно было создать систему SCADA, в которой сеть между станциями контроля обеспечивала связь.
Хотя это редкость, системы SCADA второго поколения существуют и сегодня.
Сетевая архитектура
По мере развития сетевых технологий и протоколов и появления глобальных сетей (Wide Area Networks, WAN) новые возможности для организации сетей и связи стали доступны и для систем SCADA. Это означает, что системы SCADA теперь можно использовать не только на одном предприятии, но и на нескольких заводах, расположенных далеко друг от друга. Благодаря сетевой архитектуре доступ к данным и диспетчерскому управлению можно получить в любом месте, даже из физического местоположения, отличного от местоположения завода.
Большинство систем SCADA по-прежнему построены по сетевой архитектуре. Хотя все больше и больше людей стремятся к IoT, им еще предстоит пройти долгий путь.
Интернет вещей (IoT)
Четвертое поколение систем SCADA – это те, которые мы создаем сейчас. Это часть большой революции Индустрии 4.0. Здесь важны и Интернет вещей (IoT), и децентрализованная передача данных. Эти новые технологии дают нам гораздо больше свободы и гибкости в архитектуре.
Фактически, вся архитектура SCADA предназначена для централизации управления и мониторинга (сбора данных). Вся идея заключается в том, чтобы иметь одну систему или одно приложение. Но с появлением IoT эта идея меняется в сторону более децентрализованной архитектуры, где каждый компонент может взаимодействовать с каждым другим.
Хотя эта новая архитектура – будущее автоматизации, все еще существует множество проблем с безопасностью. Данные из систем SCADA чаще всего очень ценны и чувствительны для бизнеса, и их передача в облако требует высокого уровня безопасности.
Программное обеспечение SCADA
Давайте рассмотрим несколько реальных приложений SCADA, чтобы понять, на что они действительно способны. На рынке существует несколько крупных игроков. Но многие из них имеют масштабируемые решения для удовлетворения требований на разных уровнях. Некоторые SCADA-приложения лучше всего работают на крупных объектах с множеством серверов и клиентов, а некоторые – на небольших объектах и приложениях.
При выборе программного обеспечения SCADA, которое соответствует вашим потребностям, необходимо учитывать множество факторов. Как в отношении бизнеса, так и в отношении технических аспектов. Подумайте вот о чем:
Какие переменные нам нужно отслеживать и контролировать, чтобы помочь процессу и бизнесу? Очень важно иметь представление об этом до того, как вы решите, какое программное обеспечение SCADA вы собираетесь использовать.
Срок службы программного обеспечения SCADA
Еще одна вещь, о которой многие забывают, – это срок службы программного обеспечения SCADA. Система SCADA может быть серьезной инвестицией, и часто можно ожидать, что срок службы системы составит от 5 до 15 лет.
Как мы все знаем, технологии развиваются быстрее, чем любая другая отрасль. На самом деле технологии не просто развиваются быстро, они развиваются экспоненциально быстрее. Возьмем для примера закон Мура. Каждый год в процессорах компьютеров удваивается количество транзисторов, что делает их экспоненциально более быстрыми.
Технологии не только становятся быстрее, но и постоянно появляются новые. Технологии, которые использовались для связи 5 лет назад, сегодня считаются медленными и часто устаревшими по сравнению со стандартами связи, которые мы имеем сегодня.
Запрос информации (RFI)
RFI или запрос информации – это бизнес-термин, обычно используемый для описания возможностей продавцов и поставщиков. Обратите внимание на этот термин, потому что он очень актуален в отношении выбора программного обеспечения SCADA.
Если срок службы вашей SCADA-системы составит, например, 10 лет. Вы хотите быть уверены, что в течение этого срока вы как минимум сможете получать поддержку, обновления, возможность расширения и так далее.
Программное обеспечение Historian
При работе с программным обеспечением SCADA вы часто встречаете термин Historian или Historian Software. С точки зрения программного решения SCADA Historian Software – это программное обеспечение, отвечающее за регистрацию данных, собранных с полевых интерфейсов данных.
Оно называется историческим, потому что программное обеспечение сохраняет данные (часто в базе данных) с временными метками, чтобы их можно было использовать для определения тенденций, аналитики и протоколирования.
Использование исторического программного обеспечения имеет решающее значение для многих приложений и отраслей SCADA. В некоторых отраслях, например, в пищевой или фармацевтической промышленности, существуют даже законодательные требования (FDA 21 CFR Part 11) к регистрации данных. Хорошим примером того, как может быть реализовано протоколирование, является стандарт управления партиями ISA-88.
Все записанные историком данные также могут быть использованы для анализа. Эти данные на самом деле стоят многого для компании, так как их анализ может привести, например, к улучшению планов технического обслуживания и оптимизации производства.
Технология SCADA
SCADA-система состоит из множества различных технологий – от регистрации и сохранения данных до коммуникационных протоколов и стандартов для доступа к данным.
Как для программиста SCADA, так и при выборе SCADA-решения важно знать об этих технологиях. Особенно следует обратить внимание на то, что новое не всегда лучше.
Когда вы выбираете новый компьютер, новые и обновленные технологии почти всегда лучше. Но в мире систем SCADA это не так. Система SCADA часто представляет собой обширную систему с множеством компонентов, которые должны работать вместе. В то же время система должна быть безопасной.
По этим двум причинам лучшим решением не всегда является решение с новейшей технологией, а скорее решение с наиболее стабильной и безопасной технологией. Не все компоненты, особенно на нижнем уровне (ПЛК и RTU), способны использовать новейшие технологии для связи и т. д.
Database или база данных
Местом хранения всех собранных данных обычно является база данных. Именно из базы данных впоследствии можно получить доступ к этим данным для составления отчетов и аналитики. Возможно, вы уже слышали о базе данных SQL, и SQL также является основной технологией баз данных, используемой в системах SCADA.
SQL расшифровывается как Structured Query Language и представляет собой язык программирования, используемый для управления данными в базах данных. С его помощью можно вставлять, удалять, редактировать, импортировать или экспортировать данные в базу. Фактически, система SCADA использует команды SQL для управления базой данных.
Вы можете найти и другие языки запросов, но SQL, безусловно, является наиболее используемым сегодня, причем не только в программном обеспечении SCADA, но и для управления базами данных в целом. Базы данных SQL могут быть размещены на ваших собственных серверах или в виде облачного решения.
OPC и OPC UA
Совместимость с используемой платформой ПЛК и RTU, конечно, очень важна. Системе SCADA необходимо каким-то образом получить доступ к данным от этих полевых устройств. Одной из основных технологий для этого является OPC.
OPC расшифровывается как OLE для управления процессами и является стандартом для доступа к данным полевых устройств, таких как ПЛК или RTU. Системы SCADA обычно используют технологию OPC-сервера и клиента для связи с ПЛК. Точнее говоря, используемая часть OPC называется OPC DA (доступ к данным).
ПЛК настраивается как OPC-сервер, который затем преобразует данные в соответствии с протоколом OPC. В системе SCADA, с другой стороны, у вас будет OPC-клиент, который сможет получить доступ к этим данным по протоколу OPC.
Особенностью протокола OPC является то, что большинство современных ПЛК поддерживают его. Это означает, что вам не нужно покупать SCADA-систему того же производителя, что и используемые вами ПЛК.
Управление сигнализацией
Почти все системы SCADA включают в себя сигналы тревоги. Работа с этими сигналами называется управлением сигналами тревоги и включает в себя все: от установки и сброса сигналов тревоги до управления приоритетом сигналов тревоги.
Сигналы тревоги могут быть определены системой или определены пользователем. Если сигналы тревоги, определяемые системой, связаны со статусом самого оборудования или системы, то сигналы тревоги, определяемые пользователем, определяются и программируются самим пользователем.
Сигналы тревоги, определяемые пользователем, включают дискретные и аналоговые сигналы тревоги. Дискретные сигналы тревоги вызываются цифровым состоянием бита. В то время как аналоговые тревоги вызываются аналоговыми значениями, которые выходят за установленные пределы.
Во многих системах SCADA сброс тревог ограничен. Сработавший сигнал тревоги часто означает, что что-то пошло не так и необходимо принять меры. Часто это делает квалифицированный специалист, что означает, что только ему должно быть разрешено сбрасывать тревогу.
Визуализация данных
Когда большинство людей думают о системах SCADA, они представляют себе один или несколько экранов, на которых визуализируется процесс или его часть. Именно эта визуализация дает оператору возможность управлять и просматривать данные из системы.
Визуализация данных может быть любым видом визуализации заданного потока данных. Тренды и графики часто используются для визуализации развития значения, в то время как таблицы и цвет часто используются для отображения состояния дискретной переменной. Цвета довольно часто использовались в системах SCADA для визуализации, но с появлением новых стандартов, таких как ISA-101 и ISA-112, был введен термин “серый – это хорошо” и высокопроизводительные HMI.
Одной из новых технологий, используемых для визуализации и разработки экранов, является HTML5. Я бы сказал, что на это есть три основные причины:
- Быстрая разработка
- Легкий доступ
- Много разработчиков
С помощью HTML5 вы можете быстро создавать прототипы экранов и визуализаций. Это значительно ускоряет процесс разработки. В то же время HTML5 очень доступен, особенно если он выполнен в отзывчивом дизайне. HTML5 можно читать в любом браузере, как на компьютерах, так и на устройствах, таких как смартфоны и планшеты.
Аналитика данных и машинное обучение
Помимо визуализации данных, все большую часть работы системы SCADA составляет их анализ. Аналитика данных и машинное обучение – это не просто модные слова. Они являются частью революции Industry 4.0, и вместе с ними ваша система SCADA становится умнее.
Можно утверждать, что аналитика данных проводилась на протяжении всей истории существования системы SCADA. Большинство систем SCADA предоставляют систему отчетности, в которой представлены отчеты с данными о производстве, процессах и системах. Эти данные часто анализировались людьми с целью оптимизации производства или технического обслуживания.
Новой технологией здесь является машинное обучение и алгоритмы. Благодаря появлению технологии машинного обучения компьютеры теперь могут анализировать данные. Умные алгоритмы могут не только анализировать данные, но и учиться на их основе и находить в них возможности для оптимизации. Возможности, которые человеку было бы практически невозможно найти.
Приложения SCADA: Где мы используем системы SCADA?
SCADA имеет широкий спектр применения – от небольших подразделений до крупных планов и даже предприятий с несколькими заводами. Мониторинг может быть полезен в каждом аспекте автоматизации, поскольку он позволяет собирать полезные данные. Эти данные могут не только помочь нам снизить себестоимость продукции, но и повысить эффективность производства и сократить расходы на техническое обслуживание. Все потому, что SCADA предоставляет нам данные для анализа.
- Повышение производительности оборудования
- Более высокое качество продукции
- Снижение затрат на техническое обслуживание
Многие отрасли промышленности используют те или иные приложения SCADA для мониторинга и управления своими процессами. Но в каждой отрасли существуют свои требования к тому, что необходимо контролировать и отслеживать.
Вот лишь некоторые примеры отраслей, в которых используются системы SCADA для мониторинга и управления:
- Производство
- Электростанции
- Водоочистные сооружения (сточные воды)
- Фармацевтическая промышленность
- Продукты питания и напитки
- Нефтяная и газовая промышленность
- Переработка отходов
Каждая отрасль и каждая отдельная компания также предъявляет свои требования к используемой SCADA-системе. Некоторые компании являются крупными и имеют несколько заводов, в то время как другие – всего один завод или даже один технологический блок.
SCADA-система для нефтегазовой промышленности может полностью отличаться от SCADA-системы для энергосистемы или электростанции.
Примеры SCADA-систем
Ниже вы можете ознакомиться с некоторыми из крупнейших поставщиков систем SCADA на рынке. Они совместимы с большинством ПЛК и систем управления и используют самые последние и наиболее используемые стандарты связи.
Выбор SCADA-системы от широко распространенного поставщика часто является лучшим решением, так как они часто имеют гораздо лучшую поддержку, гораздо больше разработчиков и часто являются наиболее стабильными.
FactoryTalk View SE, Rockwell
Одной из наиболее используемых платформ ПЛК является платформа Rockwell Automation. И их программное обеспечение SCADA FactoryTalk View не является исключением.
Большим преимуществом является то, что оно относительно дешево и поэтому используется многими людьми. Для студентов с ограниченным бюджетом это отличный способ войти в мир программного обеспечения SCADA и научиться строить и программировать SCADA-системы.
Популярность среди студентов также делает FactoryTalk View привлекательным для использования компаниями, поскольку среди них будет больше разработчиков, имеющих опыт работы с этим программным обеспечением.
InTouch, Wonderware
Компания Wonderware, ныне принадлежащая Schneider Electric, выпустила систему InTouch, которая стала одним из крупнейших поставщиков SCADA на рынке. Хотя InTouch появилась на рынке сравнительно недавно, она уже считается одной из лучших.
Системная платформа Wonderware – это модульная и очень гибкая SCADA-система с множеством компонентов, которые можно подключить и использовать. Модульность этой системы означает, что если вы выберете это программное обеспечение SCADA, то сможете довольно легко настроить его под свои нужды.
Еще одним преимуществом InTouch является то, что они используют открытые стандарты связи и могут работать с большинством платформ ПЛК.
Citect SCADA, Schneider Electric
У Schneider Electric также есть собственное программное обеспечение для SCADA. Или, лучше сказать, имела. Потому что после того, как они купили Wonderware, это стало их основным SCADA-решением, и они практически прекратили дальнейшее развитие SCADA Citect. Или почти перестали, по крайней мере.
При этом Citect SCADA по-прежнему остается одной из широко используемых SCADA-систем, и как разработчик SCADA вы определенно должны знать об этой платформе. Фактически она стала частью SCADA-решений Wonderware.
Дело в том, что Schneider Electric необходимо продолжать развивать Citect SCADA, потому что она так широко используется. Citect имеет многолетний опыт работы и поэтому является обширной SCADA-системой с множеством функций, разработанных со временем по просьбам пользователей.
Experion SCADA, Honeywell
Еще одной широко распространенной платформой для ПЛК (особенно в США) является Honeywell. На рынке SCADA-систем они также являются ключевым поставщиком, поскольку предоставляют программную платформу для программирования SCADA и HMI.
Вы можете использовать их программное обеспечение как для автономной SCADA-системы, так и с ПЛК Honeywell (например, платформы C200 и C300) и RTU, такими как ControlEgde RTU.
Несмотря на то, что программное обеспечение SCADA от Honeywell лучше всего работает и оптимизировано для ПЛК и RTU Honeywell, вы можете использовать его и с другими платформами ПЛК. Они предоставляют множество стандартных драйверов интерфейсов SCADA, например, OPC.
iFIX, General Electric
Одна из крупнейших промышленных компаний в мире General Electric (GE) также является крупным игроком на рынке SCADA. Одно из их программных решений называется iFIX и представляет собой очень гибкую SCADA-систему.
Существует несколько причин, по которым эта система является такой гибкой. Но одна из них – возможность быстрой разработки экранов с помощью HTML5. Другая причина – множество драйверов, позволяющих создавать сетевые и распределенные системы и обеспечивающих подключение и обмен данными с большинством современных ПЛК.
Ignition, Inductive Automation
Ignition – это SCADA-система, которая действительно использует преимущества новой архитектуры IoT. Если вам нужна система, соответствующая всем стандартам и технологиям Industry 4.0, Ignition от Induction Automation – это очень хороший выбор.
Ignition является довольно новым продуктом на рынке SCADA по сравнению со многими другими. Но это все еще очень надежное программное обеспечение SCADA, использующее новейшие технологии. Благодаря этому, а также тому, что оно отлично работает с большинством платформ ПЛК, многие компании выбирают Ignition в качестве SCADA-решения.
SIMATIC WinCC V7, Siemens
Система SCADA от Siemens известна под названием WinCC и существует уже много лет. Siemens является одним из крупнейших игроков на рынке ПЛК и SCADA, и многие компании используют платформу Siemens.
Хотя большинство продуктов Siemens немного дороговаты, я бы утверждал, что вы получаете хорошее соотношение цены и качества. Siemens – крупная компания, которая разрабатывает свои платформы для ПЛК и SCADA на протяжении многих лет. Поэтому их продукты очень стабильны, что является важным фактором для многих компаний.
WinCC широко используется, что также означает наличие большого количества обучающих материалов. Их предлагают как сами Siemens, так и учебные академии, а также курсы по ПЛК в Интернете. Вы даже можете найти отличные учебные пособия на YouTube.
MC Works64, Mitsubishi Electric
Если мы посмотрим на азиатский рынок SCADA, который, кстати, очень велик, то увидим, что Mitsubishi является одним из крупнейших вендоров. Их программное обеспечение SCADA называется MC Works64 и представляет собой группу продуктов, в которую помимо MC Works64 входят продукты для мониторинга энергопотребления, историка, управления оборудованием и т.д.