Использование некоторых SCADA-систем в газовой отрасли. Кибербезопасность АСУ ТП – что это и зачем? Библиография по разделу
В статье рассматриваются наиболее распространенные SCADA-системы, описываются их характеристики, также производится сравнение по некоторым показателям .
ООО “ИНЭКО-А”, г. Москва
ОАО “ГИПРОГАЗцентр”, г. Нижний Новгород
Газовая отрасль имеет в своем составе огромное количество технологических объектов, которые различаются как техническими, так и функциональными характеристиками. Системы управления для них разрабатываются очень многими фирмами, которые используют различные SCADA-системы.
Используя данные центрального проектного института ГИПРОГАЗцентра (г. Нижний Новгород) и более 36-летний опыт работы автора по разработке и внедрению различных систем управления (в том числе 16 лет в качестве директора ООО “ИНЭКО-А”, которое является генеральным подрядчиком по разработке систем управления, реконструкции технологического оборудования и КИП, монтажу вычислительного комплекса, сдаче объекта в промышленную эксплуатацию), рассмотрим некоторые SCADA-системы и их характеристики.
Напомним, что для обеспечения человеко-машинного интерфейса между оператором и системой управления в компьютерах установлено прикладное обеспечение типа SCADA.
Современные SCADA-системы представляют собой хорошо согласованные по функциям и интерфейсам программные продукты. В сетевых системах средствами SCADA реализуются станции различного функционального назначения: серверы, станции-клиенты, станции наблюдения (мониторинга), в основном, для руководящих работников, станции архивирования данных и др.
Функциональный базовый профиль SCADA-систем сформировался еще во время первых управляющих вычислительных машин. Со временем, с развитием вычислительной техники, функциональные возможности систем стали расширяться (появились цветные дисплеи, средства анимации, голосовой сигнализации и т.д.). С появлением концепции открытых систем программное обеспечение SCADA-систем для операторских станций становится самостоятельным продуктом, свободно взаимодействующим с программно-техническими средствами различных производителей. Такая специализация производителей программного продукта также способствовала расширению функций SCADA-систем. Появилась функция сетевой поддержки, начались разработки средств связи SCADA-систем с контроллерами различных производителей. Большое количество контроллеров с разными программно-аппаратными платформами заставило разработчиков включать в состав SCADA-систем большое количество готовых драйверов и инструментарий для разработки новых драйверов.
В силу предъявляемых требований к SCADA-системам перечень их функциональных возможностей определен и реализован почти во всех пакетах (отличия возможны в технических особенностях реализации и в цене):
Сбор первичной информации от устройств нижнего уровня (приборы и т.д.);
Обработка первичной информации;
Визуализация параметров технологического процесса и оборудования с помощью мнемосхем, графиков, таблиц и т.д. Вызов необходимых данных или участков технологических линий на экране дисплея;
Дистанционное управление технологическими процессами и объектами;
Сообщение персоналу о предаварийных и аварийных ситуациях (световая и звуковая сигнализации). Регистрация внештатных ситуаций и накопление архивных данных (возможно за любой период и даже до одного года);
Предоставление текущих и накопленных (архивных) данных в виде графиков (трендов);
Хранение информации с возможностью ее пост-обработки (как правило, реализуются через интерфейсы к наиболее приоритетным базам данных);
Автоматизированная разработка, дающая возможность создания программного обеспечения системы автоматизации без реального программирования;
Исполнение прикладных программ, создание новых алгоритмов регулирования;
Изменение всех функций SCADA-системы (добавление или удаление датчиков, исполнительных механизмов и изменение их характеристик, изменение параметров настройки технологических переменных, добавление новых модулей в контроллеры или новых контроллеров, корректировка и создание любых мнемосхем, трендов, документации);
Передача (и прием) необходимых данных в систему верхнего уровня;
Обеспечение диагностических процедур и их протоколирование и автоматическое сообщение о них оператору;
Обеспечение надежности ведения технологических процессов и всей системы (полная поддержка “горячего” резервирования, автоматический переход на резерв и восстановление, настройка резервирования должна осуществляться без дополнительного программирования, автоматическая синхронизация данных трендов после восстановления основного сервера);
Защита от несанкционированного доступа (парольная защита для конкретного участка, обеспечивающего более миллиона комбинаций; определение участков и уровней для каждого пользователя с учетом их приоритетности).
С ростом мощности компьютеров SCADA-системы становятся масштабируемыми, т.е. могут поддерживать от нескольких сотен до сотен тысяч входов/выходов, а также управлять сложными производствами в целом. Для уровня управления производством стали появляться специальные программные продукты. В них важную роль играет функция поддержки принятия решения перед перераспределением материальных потоков (на больших производствах, например, нефтехимических или процесса Клауса получения серы на Астраханском или Оренбургском ГПЗ) путем оценки результатов средствами моделирования.
Функции непосредственного управления технологическими процессами (автоматическое регулирование и логическое управление) реализуются в пакетах прикладных программ для РС - совместимых контроллеров и для компьютерной реализации функций непосредственного управления.
При оценке возможности использования SCADA-системы при создании АСУ ТП надо учитывать следующие основные моменты:
Объем данными (производительность, поддержка стандартных сетевых протоколов и форматов данных);
Удобство в работе (стандартизация пользовательского интерфейса, наличие и удобство языка описания данных и процессов);
Описание пакета и эксплуатационных инструкций на русском языке;
Уровень технической поддержки (учитывая доступность);
Число инсталляции за рубежом и в России (особенно применимость в промышленных АСУ);
Цена программного продукта.
Сегодня на российском рынке наиболее распространенными являются следующие SCADA-системы:
1_In Touch (Wonderware, США);
2_FIX (Intellution, США);
3_Genesis (Iconics Co, США);
4_Citect (CI Technology, Австралия);
5_Factory Link (United States Data Co, США);
6_ReaIFlex (BJ Software Systems, США);
7_Sitex (Jade Software, Великобритания);
8_WinCC (Siemens, Германия);
9_Trace Mode (AdAstrA, Россия);
10_RTWin (SWD Real Time Systems, Россия);
11_Cimplicity (GE Fanuc, США);
12_RSView (Rockwell Automation, США);
13_САРГОН (НВТ - Автоматика, Россия);
14_MIK$Sys (МИФИ, Россия).
Дополнительно по данным проектного института ГИПРОГАЗцентр (г. Нижний Новгород) можно добавить системы, применяемые в газовой отрасли на уровне главного диспетчерского пункта:
15_Monitor Pro (Schneider - Electric, Германия);
16_Operate IT (ABB Automation Systems GmbH, Германия);
17_GAMOS (PS/AG, Германия).
При таком многообразии SCADA-систем на нашем рынке возникает проблема о выборе какой-то одной из них. Этот выбор представляет собой довольно сложную задачу, аналогичную задаче по принятию решения в условиях многокритериальности. Слишком много показателей, критериев и мало количественных оценок для принятия однозначного решения.
Рассмотрим примерный перечень критериев оценки SCADA-систем с позиций пользователя, которые можно условно разделить на три группы показателей: технические, эксплуатационные и экономические характеристики.
Рассмотрим основные программно-аппаратные платформы, на которых реализуется SCADA-система.
Для выбора компьютера необходимо знать его платформу (разработанная в одной операционной среде прикладная программа может быть выполнена в любой другой, которую поддерживает выбранный SCADA-пакет), операционную систему, частоту процессора, требуемые объемы оперативной и дисковой памяти. К тому же надо знать информационную мощность отдельной станции - максимальное число вводов/выводов, скорость ввода/вывода, масштабируемость системы и т.д.
Раньше основу программной платформы составляла операционная система реального времени QNX. Сейчас большинство SCADA-систем реализовано на платформах MS Windows. Такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые человеко-машинные интерфейсные средства. Учитывая продолжающееся усиление позиций Microsoft на рынке операционных систем, следует отметить, что даже разработчики многоплатформенных SCADA-систем приоритетным стали считать дальнейшее развитие своих SCADA-систем на платформе Windows. Некоторые фирмы, до сих пор поддерживающие SCADA-системы на базе операционных систем реального времени, начали менять ориентацию на системы с платформой Windows.
Рассмотрим требования к компьютеру со стороны SCADA-систем. Они могут быть, например, следующие: Pentium 2/3 c частотой 300 - 800 МГц, оперативной памятью 64/128 мб. и свободным дисковым пространством 150 - 300 мб. Для iFIX требуется больший объем оперативной памяти - min 96 мб., лучше 128 мб. Для систем, рассчитанных на большее количество точек ввода/вывода, может потребоваться более “серьезная” конфигурация.
Средства сетевой поддержки
Современные системы автоматизации отличаются высокой степенью интеграции (мне это особенно известно за 30 лет работы по разработке и внедрению систем управления в газовой отрасли. А на объектах газовой отрасли эти системы на любой момент времени были самые передовые - правда, сначала закупались по импорту): в них могут быть задействованы исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и даже самостоятельные объекты управления. Для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ArcNet, Ethernet и др.) с использованием стандартных протоколов (NetBIOS , TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (Profibus, CANbus, LON, Modbus и др.). Этим требованиям в той или иной степени удовлетворяют практически все рассматриваемые SCADA-системы, но набор поддерживаемых сетевых интерфейсов разный.
Поддерживаемые базы данных
Для функционирования баз данных (сбор, оперативный анализ, хранение, сжатие, пересылка и т.д.) используют ANSI SQL синтаксис, который является независимым от типа базы. Таким образом, приложения виртуально изолированы, что позволяет менять базу данных без серьезных изменений самой прикладной задачи, создавать независимые программы для анализа информации, использовать наработанное программное обеспечение, ориентированное на обработку данных.
Встроенные командные языки
Большинство SCADA-систем имеет встроенные языки программирования (языки высокого уровня), позволяющие разрабатывать сложные приложения: генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной; с выполнением некоторого логического условия; с нажатием комбинаций клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна.
Первые версии SCADA-систем либо не имели подобных языков, либо эти языки реализовывали небогатый набор функций. В современных версиях SCADA-систем функциональные возможности можно разделить на две ориентации:
Для технологов (или операторов);
Для системного интегратора. В этом случае чаще всего используются VBasic-подобные языки.
Полнота использования возможностей встроенных языков требует соответствующего уровня квалификации разработчика.
Графические возможности
Для визуализации в SCADA используются различные графические пользовательские интерфейсы, в каждом из которых существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять над выбранными простыми (библиотеки стандартных графических символов: линии, прямоугольники, текстовый объем и др.) и сложными объектами (библиотеке сложных графических объектов) широкий набор операций, а также быстро обновлять изображения на экране, используя средства анимации (редактор динамики).
Открытость систем
Программная система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключать к ней “внешние”, независимо разработанные компоненты, адаптировать пакет под конкретные нужды с минимальными затратами.
Некоторые фирмы-разработчики систем управления создают собственные (не предусмотренные выбранной SCADA-системой) программные модули и включают их в создаваемую систему управления. Поэтому если система открытая, то это означает доступность спецификаций системных вызовов (в смысле SCADA-системы), реализующий определенный системный сервис (доступ к графическим функциям, функциям работы с базами данных и др.).
Сегодня SCADA-системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, т.к. имеют в своем составе большой набор драйверов или серверов ввода/вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов (разрабатываются с использованием стандартных языков программирования) новых устройств нижнего уровня. Но этого бывает недостаточно.
В SCADA-системах основным механизмом, используемым для связи с внешним миром, оставался стандартный механизм DDE (Dynamic Data Exchange) и обмен по внутреннему протоколу (известному только фирме разработчику). Но из-за своих ограничений по производительности и надежности он давал сбои при обмене информацией в реальном масштабе времени. Поэтому компания Microsoft взамен механизма DDE предложила более эффективное и главное надежное средство передачи данных между процессами - механизм OLE (Object Linking and Embedding - включение и встраивание объектов). Механизм OLE поддерживается в RS View, iFix, In Touch, Factory Link и др. На базе OLE появился уже новый стандарт OPC (OLE for Process OLE) ориентированный на рынок систем управления в промышленности.
Многие компании (как бы тресты фирмы в структуре АСУ ТП) занимаются разработкой драйверов, ActiveX - объектов и другого программного обеспечения для SCADA-систем. Это тоже надо учитывать при выборе SCADA-системы, поскольку это расширяет область применения системы непрофессиональными программистами.
Для реализации вышеуказанных технологий разработаны специальные библиотеки и инструментальные системы для OC Windows. Использование же только специфичных стандартов для этого не только достаточно трудоемко, но и требует высокого профессионализма программистов и затруднительно для не Windows платформ.
Один из существенных недостатков SCADA-систем на платформе Windows 3.хх/95 по сравнению со SCADA-системами на платформах ОСРВ является отсутствие поддержки жесткого реального времени. Ситуация изменилась с появлением Windows NT. Ряд фирм предприняли попытки превратить Windows NT в операционную систему жесткого реального времени, например, фирма Ventur Com (подсистема RTX - Real Time Extension). Ее набор прикладных интерфейсов программирования RTX-4.1 (Ventur Com) в iFix позволяет:
Осуществлять полный контроль над задачами реального времени;
Применять стандартные средства обмена данными между задачами;
Использовать фиксированную систему из 128 приоритетов для контроля RTX-задач;
Обращаться к стандартным функциям из Win 32 API.
Эксплутационные характеристики SCADA-cистем
От эксплуатационных характеристик SCADA-системы зависит скорость освоения продукта и разработки прикладных систем, а в конечном итоге сильно отражаются на стоимости составляющих всей системы управления.
Поговорим кратко о некоторых характеристиках. Сначала разработчик системы управления рассматривает качество документации SCADA-системы: полноту, ясность и наглядность описания первичных документов; русификацию и ее уровень (экраны, подсказки, справочная система, всевозможные обозначения и т.д.).
Затем, знакомясь и работая с предложенным предпродажным вариантом системы, обращает внимание на доступность диалога: наглядность представления необходимой информации на экране, удобство использования справочной системы, информативность оперативных подсказок и т.д.
Следующим показателем будет являться уровень сопровождения системы при ее эксплуатации: возможность внесения изменений в банк данных, коррекции экранов без остановки системы, полнота средств диагностики системы при сбоях и отказах, возможности наращивания разнообразных функций системы, трудоемкость при инсталляции системы, ясность и полнота эксплуатационной документации и т.д. Сюда можно отнести и доставку необходимой информации на верхний уровень управления (например, оперативно-производственная служба и диспетчерский пункт на Северо-Ставропольском ПХГ) и обратно.
Последней основной характеристикой будет наличие и качество поддержки SCADA-системы: услуги фирмы-разработчика, обслуживание (в т.ч. консультации, которые необходимо проводить не только с программистами-разработчиками по месту создания системы, но и, иногда, по месту внедрения на объекте), обучение специалистов, условия обновления версий.
Экономические характеристики
Эти характеристики выражаются в стоимости следующих составляющих:
Аппаратной платформы;
Системы (средства разработки и среда исполнения);
Разработки системы;
Освоения системы (обучение пользователей);
Сопровождения (консультации, степени открытости, адаптируемости и смены версий продукта, прочие услуги);
Отталкиваясь от первоначальной цены SCADA-системы приведенной в прайс-листах фирм, можно обсуждать их снижение, используя некоторые факторы:
Выбор фирмы зависит в первую очередь от цены системы. При этом механизм определения цены различен: в In Touch зависит от количества переменных, используемых в разрабатываемой прикладной программе; в Simplicity определяется количеством каналов ввода/вывода, которые должна поддерживать система, и в Factory Link имеет высокую базовую стоимость, но не имеет ограничений по количеству каналов. При оценке стоимости учитываются минимальные и рекомендуемые ресурсы компьютера, необходимые для ее установки. При этом в некоторых системах, например, WinCC число допустимых переменных пропорционально зависит от количества доступного ОЗУ.
Стартовая цена может быть снижена сразу после переговоров с руководством фирмы продавца. Автор в свое время был членом закупочных комиссий (утвержденных министрами газовой промышленности сперва Оруджевым С.Н., а затем Черномырдиным В.С.) по Оренбургскому и Астраханскому комплексам (в части систем управления) и приобретенный опыт позволял находить взаимопонимание с руководителями иностранных фирм скорее, чем с российскими. У нас был прицендент, когда мы хотели закупить у российской фирмы-диллера сразу два SCADA пакета (хотя один пакет мог нам понадобиться только через год) и, естественно, надеялись получить скидку. Мы ее не получили, от услуг фирмы отказались и нашли другую фирму (и даже по более низкой цене). Зная рыночную надежность фирмы (а также качество ее продукции, ее штат, квалификацию ее сотрудников и т.д.), можно снизить стоимость “риска” покупки;
Стоимость разработки прикладных программ с использованием SCADA-системы существенно уменьшается по сравнению с применением традиционного программирования. Стоимость систем исполнения составляет обычно 40 - 60 % от стоимости системы разработки;
Стоимость освоения SCADA-системы относительно невелики (оплата труда достаточно квалифицированных программистов);
Стоимость окупаемости SCADA-системы зависит от количества проектов на базе этой системы, общей стоимости всего проекта и т.д. Ориентировочно реализация 2 - 3-х проектов может окупить приобретение SCADA-системы.
Показатели некоторых SCADA-систем
SCADA-система iFix
SCADA-система iFix (Intellution, США) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000.Система ориентирована для разработки АСУ малых и средних предприятий, т.е. в приложении к газовой промышленности - от уровня КЦ/ГРП до уровня линейно-производственного управления (ЛПУ). Внедрения данной SCADA-системы в ООО “Газпром” так же подтверждает эту информацию (по материалам сайта www.intellution.com).
Градация лицензий по количеству параметров процесса для iFix следующая: 75, 150, 300, 900, не ограничено.
Система поддерживает все современные основные информационные технологии, используемые при построении АСУ ТП (ОРС - для связи с контроллерами и системами сторонних производителей, ODBC - для связи с базами данных). Для создания расширенного архивного хранилища данных уровня предприятия используется программное обеспечение iHistorian, представляющее собой интегрированный с iFix пакет на базе Microsoft SQL Server. Система iFix включают в себя обширную библиотеку графических элементов. Однако библиотека прототипов отсутствует. Таким образом, команды управления и диалоговые окна для них должны конфигурировать вручную. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic for Application.
Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера.
Рассматривая возможность применения SCADA-системы iFix на уровне ДКС, следует отметить, что фирма “Intellution” поставляет интегрированное с iFix программное обеспечение для программирования контроллеров только на базе Windows NT Embedded (встраиваемая ОС Windows NT), Windows СЕ и DOS. Такой подход ограничивает номенклатуру контроллеров линейкой встраиваемых РС (например, Octagon, Fast Well и др.).
SCADA-система Trace Mode
SCADA-система Trace Mode (Adastra, Россия) работает под управлением операционной системы Windows 98/NT 4.0/2000. Система, прежде всего, ориентирована на работу с контроллерами, т.е. на создание АСУ ТП небольших технологических объектов типа ГРП, что подтверждается известными нам применениями Trace Mode.
Градация лицензий по количеству параметров процесса для Trace Mode следующая: 75, 150, 300, 800, не ограничено. Система поддерживает все современные информационные технологии. Для подключения контроллеров и систем сторонних производителей может быть использована ОРС - технология. Для доступа к базам данных используется ODBC. Драйверы собственной разработки предусматривают подключение контроллеров типа Лемикон, Эмикон и др. (в основном российского производства, что к сожалению, снижает надежность). Возможно использование Web-технологии для построения автоматизированных рабочих мест на основе собственного Web-сервера.
Идеология разработки прикладного программного обеспечения Trace Mode оптимизирована для сквозного программирования контроллеров и АРМ, что усложняет разработку АСУ ТП верхнего уровня, где жесткая привязка к определенному типу контроллеров является излишней. Таков подход создает дополнительные трудности при необходимости интеграции данных от разнотипных источников.
SCADA-система WinCC
SCADA-система WinCC (Siemens GmbH, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000. Система ориентирована для разработки АСУ уровня КЦ/КС и уровня ЛПУ (за аналог приняты предложения фирмы по проекту “Голубой поток”).
Градация лицензий по количеству параметров процесса для WinCC следующая: 75, 300, 900, 1500, не ограничено. Система поддерживает все современные основные информационные технологии. Огромное количество опций, предлагаемое фирмой, позволяют решить любые задачи АСУ ТП на уровне ДП ЛПУ, в том числе организацию выделенного сервера архивирования для досрочного хранения данных и решения расчетных задач. В качестве внутреннего языка программирования используется язык, совместимый с ANSI C. Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера.
Система является представителем линейки продукта SIMATIC, что обеспечивает высокий уровень интеграции с программным обеспечением для программирования контроллеров SIMATIC серии S5 и S7. Это является несомненным преимуществом при создании АСУ ТП ДКС.
SCADA-система Monitor Pro
SCADA-система Monitor Pro (Schnaider-Electric, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000. Система ориентирована для разработки АСУ средних предприятий с распределенной структурой управления.
Градация лицензий по количеству параметров процесса следующая: 64, 256, 1024, 4096, не ограничено. Система поддерживает все основные современные информационные технологии. Кроме поддержки технологии ODBC, система включает специальные драйверы для работы с базами данных ORALCE, SYBASE и Microsoft SQL Server, позволяющие использовать все особенности “родного” формата данных и команд. В поставку также включается широкий набор функций статистической обработки данных и формирования отчетов. Средства системы позволяют использовать Web-технологии для организации рабочих мест на основе Интернет-браузера, включая поддержку Pocked PC. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic for Application.
Фирма поставляет программное обеспечение для программирования контроллеров линейки MODICON. Формат алгоритмического обеспечения контроллеров сертифицирован на соответствии стандарта IEC 61131-3, описывающему 5 языков программирования контроллеров. Система поддерживает все 5 языков. Программное обеспечение темно интегрировано со SCADA-системой Monitor Pro. Поддерживается автоматический экспорт базы данных контроллера в базу данных сервера SCADA.
SCADA-система и контроллеры MODICON широко применяются в нефтяной промышленности России (более 3000 инстанций).
SCADA-система OperateIT
SCADA-система OperateIT (ABB Automation Systems GmbH, Германия) работает под управлением операционной системы Windows NT 4.0/2000/ХР. Система ориентирована для разработки приложений для ДП распределенных АСУ ТП.
Градация лицензии по количеству параметров процесса следующая: 75, 150, 300, 900, 1500, 5000, не ограничено. Система поддерживает все современные основные информационные технологии. Кроме того, внедрена уникальная технология Aspect Object, позволяющая хранить и автоматически обновлять данные о технологическом оборудовании (тип оборудования, датчика, срок службы, срок с последнего ремонта и т.д.). Система позволяет строить распределенные системы управления на базе технологии “клиент-сервер”. Возможно использование Web-технологий. В качестве внутреннего языка программирования используется Visual Basic, что в отличие от применения VBA (Visual Basic for Application), позволяет создавать дополнительные функции в виде “натурального кода”. Эта особенность позволяет разрабатывать более быстродействующие приложения, что очень важно для задач, в том числе расчетных, реального времени. Система включает обширную библиотеку графических прототипов, включающих диалоговые окна управления и блокировки. Для организации архивного сервера масштаба предприятия и использования расширенного набора функций статистической обработки данных используется программное обеспечение HistoryIT.
Для связи с контроллерами и системами используется ОРС - технология. Кроме того, такие линейки контроллеров, как Advant, Freelance 2000, RTU, поддерживаются “напрямую”. Фирма поставляет тесно интегрированное с системой OperateIT программное обеспечение ControlIT для программирования контроллеров. Система OperateIT включает в себя лучшие качества системы Maestro NT (на базе которой и была разработана). Система Maestro NT имеет применения на добывающих предприятиях ОАО “Газпром”.
Таким образом, разнообразие опций (а соответственно и функционального наполнения SCADA-системы) позволяет использовать данное программное обеспечение для создания АСУ ТП как на уровне ДП СГПУ, так и на уровне ДП ДКС.
SCADA-система GAMOS
SCADA-система GAMOS (PS/AG, США) работает на платформе Alpha под управлением операционной системы Open VMS. Это Unix-подобная система, что с одной стороны повышает надежность работы системы, с другой существенно удорожает стоимость самой системы и стоимость сопровождения (комплектующие, наличии соответствующих специалистов).
Фирма T-Systems скупившая “Debis”, позиционирует свою SCADA-систему для применения в АСУ уровня КС/ЛПУ/ЦДП (за аналог приняты материалы по проекту “Голубой поток”).
Использование операционной системы Open VMS накладывает определенные ограничения. Например, затрудняется использование “стандартных” офисных приложений (MS Word, MS Excel) для формирования и обработки отчетно-учетной документации. Графический интерфейс также будет иметь некоторые особенности, непривычные для пользователей IBM - совместимых компьютеров с операционной системой семейства Windows.
Главным отличием от вышеперечисленных SCADA-систем (кроме платформы и операционной системы) является наличие в поставке блоков моделирования работы газопровода. Однако, учитывая тот факт, что в случае Северо-Ставропольского подземного хранилища газа (ССПХГ) система газопроводов имеет нелинейную структуру, возможность применения данной системы моделирования для этого объекта не обосновано (или требует дополнительного подтверждения). При анализе нужно учитывать также стоимость работ по адаптации модели к условия работы ССПХГ.
Выводы по показателям SCADA-систем
1) По функциональным принципам все рассмотренные системы в целом похожи.
2) Технология программирования близка к интуитивному восприятию автоматизированного процесса. Имеющее мощное объектно-ориентированное программирование делает эти пакеты легкими в освоении и доступными для широкого круга пользователей.
3) Все системы можно считать в той или иной степени открытыми, обеспечивающими возможность дополнения функциями собственной разработки, имеющими открытый протокол для разработки собственных драйверов, развитую сетевую поддержку, возможность включения ActiveX-объектов и доступность к стандартным базам данных.
4) Построение прикладной системы на основе SCADA-систем резко сокращает набор необходимых знаний в области классического программирования, позволяя концентрировать усилия программистов на разработке прикладных программ.
5) SCADA-системы являются лидерами по поддержанию десяток и сотен драйверов разнообразных фирм.
6) Показатели надежности для систем примерно равны, особенно принимая во внимание, что почти все SCADA-системы работают под управлением системы Windows NT или Windows 2000. Исключением составляет система GAMOS, которая работает на платформе Alpha под управлением операционной системы OpenVMS. У разработчиков SCADA-систем на платформе Windows NT появилась возможность использовать расширение реального времени (RTH) в задачах системы.
7) Следует отметить рост включения SCADA-пакетов в системы комплексной автоматизации производства и на каждом его уровне.
Если рассматривать применение SCADA-системы для полной автоматизации многоуровнего объекта такого, как ССПХГ с числом обрабатываемых параметров не более 20 - 25 тыс., то это вполне реально (системы могут отрабатывать не менее 64 тыс. параметров). Поэтому выбор SCADA-системы для ССПХГ в значительной мере зависит от критериев, не связанных напрямую с техническими требованиями. По мнению специалистов ГИПРОГАЗцентра и отдела КИП АСУ ООО “Кавказтрансгаз” целесообразно применять как можно меньше типов SCADA-систем, т.е. желательно на диспетчерских пунктах применять систему, используемую на газораспределительных пунктах или дожимных компрессорных станциях. Так для диспетчерского пункта может быть использована система iFix (применяемая ООО “ИНЭКО-А” на Хадумском горизонте). Программа iFix уже работает на нескольких объектах ОАО “Газпром” (в частности в Ивановском ЛПУ ООО “Волготрансгаз”).
В.В. Радкевич,
ООО “ИНЭКО-А”, г.Москва,
А.В. Реунов,
ОАО “ГИПРОГАЗцентр”, г.Нижний Новгород,
Термин “SCADA” имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения , то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения.
Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс . Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.
История развития SCADA
Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами.
В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени.
С 90-х годов в связи с тем, что всё большая часть функций автоматического управления решается не аппаратными, а программными средствами, термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.
Основные задачи, решаемые SCADA-системами
- Обмен данными с “устройствами связи с объектом”, (то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.
- Обработка информации в реальном времени.
- Логическое управление.
- Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
- Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
- Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
- Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
- Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA-станциями (компьютерами).
- Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).
SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределённой архитектуре.
Основные компоненты SCADA
SCADA-система обычно содержит следующие подсистемы:
- или серверы ввода-вывода - программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
- Система реального времени - программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
- (HMI, англ. Human Machine Interface )- инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им.
- для разработки человеко-машинного интерфейса.
- Система логического управления - программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
- База данных реального времени - программа, обеспечивающая в режиме реального времени.
- - программа или подсистема, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
- Генератор отчетов - программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
- Внешние интерфейсы - стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC.
Концепции систем
Термин SCADA обычно относится к централизованным системам контроля и управления всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Большинство управляющих воздействий выполняется автоматически RTU или ПЛК.
Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается RTU или PLC, а SCADA управляет режимами работы.
Например, PLC может управлять потоком охлаждающей воды внутри части производственного процесса, а SCADA система может позволить операторам изменять уставки для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные ёмкости, а также следить за тревожными сообщениями (алармами ), такими как - потеря потока и высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые оператор должен своевременно реагировать.
Цикл управления с обратной связью проходит через RTU или ПЛК, в то время как SCADA система контролирует полное выполнение цикла.
Сбор данных начинается в контроллере и включает показания измерительного прибора. Далее данные собираются и форматируются наглядным способом в виде интерактивных мнемосхем, таблиц с понятными значениями, которые приняты в этой системе.
Если все сделано правильно, то оператор диспетчерской может принять контролирующие решения - корректировать или прервать стандартное управление средствами контроллера.
Данные могут также быть записаны в для построения трендов и другой аналитической обработки накопленных данных.
Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)
SCADA-система – это инструментальная программа, обеспечивающая создание программного обеспечения для автоматизации контроля и управления технологическим процессом в режиме реального времени. Основная цель создаваемой с помощью SCADA программы – дать оператору, управляющему технологическим процессом, полную информацию об этом процессе и необходимые средства для воздействия на него.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ SCADA-СИСТЕМЫ:
- Сбор данных от датчиков и представление их оператору в удобном для него виде, включая графики изменения параметров во времени;
- Дистанционное управление исполнительными механизмами;
- Ввод заданий алгоритмам автоматического управления;
- Реализация алгоритмов автоматического контроля и управления (чаще эти задачи возлагаются на контроллеры, но SCADA-системы тоже способны их решать);
- Распознавание аварийных ситуаций и информирование оператора о состоянии процесса;
- Формирование отчетности о ходе процесса и выработке продукции.
От надежности, быстродействия и эргономичности SCADA-системы зависит не только эффективность управления технологическим процессом, но и его безопасность.
КАКИЕ КОМПОНЕНТЫ SCADA НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫ В РАБОТЕ И ПОЧЕМУ?
Специалисты отдела АСУТП промышленного предприятия по изготовлению соды утверждают, что в основном используют такие компоненты, как мониторинг и управление, архивирование технологических параметров, сообщений, подсистему формирования отчетов.
Мониторинг и управление, собственно, то, для чего и устанавливается система управления. Архивы параметров, сообщений и отчеты необходимы для оценки и анализа ведения технологического процесса, действий оператора и т.д. Также для них важен один из базовых инструментов SCADA – разграничение прав доступа к управлению по уровням (оператор, технолог, инженер АСУТП).
В связи с тенденцией к интеграции систем управления технологическими процессами и систем управления предприятием все чаще возникает необходимость использования SCADA в качестве источника данных для вышестоящих систем. Некоторые SCADA могут выступать и как сервер консолидации всех технологических данных, и как сервер генерации отчетов на базе этих данных.
Если система управления, построена на базе ПЛК одного производителя (к примеру, Siemens SIMATIC), то обмен данными между контроллерами и SCADA происходит с помощью встроенных драйверов протоколов связи. Некоторые независимые от производителей оборудования SCADA предлагают набор драйверов ко многим (но не всем) имеющимся на рынке контроллерам и интеллектуальными приборам. Наиболее универсальный способ взаимодействия – это использование драйверов, разработанных в соответствии со стандартом OPC. Такие OPC-серверы могут быть разработаны производителями контроллеров или независимыми разработчиками, а использоваться вместе с любой SCADA- системой. Для эффективной работы с OPC- серверами SCADA должна использовать их напрямую, по технологии «OPC в ядре системы», а не через промежуточные интерфейсы. Некоторые SCADA являются вертикально-интегрированными: в их состав входят системы программирования для свободно-программируемых контроллеров. В них также используются внутренние драйверы для связи с контроллером. Такие SCADA позволяют создать ПТК с использованием оборудования разных производителей.
УРОВНИ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SCADA
Системы технологической автоматизации обычно разделены на 3 уровня: нижний, средний и верхний. Выше них находится уровень управления производством в целом.
Нижний уровень
– это сами датчики и исполнительные механизмы
Средний уровень
– контроллеры. На среднем уровне происходит:
- прием входных данных;
- первичная обработка данных;
- автоматическое формирование и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы;
Верхний уровень – это и есть уровень SCADA. На этом уровне происходит:
- сбор, обработка и хранение информации, полученной на среднем уровне;
- визуализация текущей и архивной информации в удобном оператору виде (мнемосхемы, графики, тренды, журналы сообщений);
- ввод команд оператора;
- формирование отчетности о результатах технологического процесса;
- обмен информацией с верхним уровнем.
УПРАВЛЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЕМ
Управление предприятием производится на двух уровнях:
MES (Manufacturing Execution Systems) – система управления производством продукции в реальном времени. Этот уровень служит для планирования производственных заданий для технологических процессов, построения сводных отчетов, глубокого анализа процесса (например, прогнозирование, построение энергетического и материально¬го баланса и др.). Для этих целей также может быть использован инструментарий SCADA.
ERP (Enterprise Resource Planning) – система автоматизированного управления административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия. На этом уровне используются другие специализированные системы, например, SAP R3.
ФУНКЦИИ SCADA
■ Мнемосхемы
Мнемосхема – это графическое изображение (с помощью встроенного в SCADA графического редактора) технологической схемы с визуализацией значений датчиков, состояния исполнительных механизмов и др. параметров. Для визуализации используется не только отображение значений в виде цифр и надписей, но и изменение визуальных свойств отображаемых графических объектов. Например, в емкости изменяется уровень жидкости, а ее цвет изменяется в зависимости от температуры (динамизация). Исполнительные механизмы могут не просто показывать свое состояние каким-то графическим признаком (например, цветом), но и наглядно показывать свою работу – например, вращением лопастей насоса, движением ленты конвейера и т.п. (анимация).
■ Архивы
Получаемые от контроллеров данные SCADA складывает в архивы. Предварительно данные могут быть обработаны (отфильтрованы, усреднены, сжаты и т.п.). Часто используется не регулярная запись, а запись по изменению с использованием порога чувствительности («мертвой зоны»). Длительность хранения настраивается в SCADA индивидуально для каждого параметра и может составлять до нескольких лет.
■ Тренды
Тренд – это графическое отображение изменения параметра во времени. Тренды в SCADA- системах могут показывать изменение параметра за всю длительность его хранения в архиве. Оператору предоставляется возможность изменять масштаб, как времени, так и самого параметра. В развитых системах в тренд встроены различные инструменты анализа графика, сравнения его с уставкой или другим параметром, сглаживание или фильтрация, отметки на графике событий (например, нарушение границ) или закладок для памяти и многое другое.
■ Таблицы
Зачастую технологу удобнее просматривать архивы не в графическом виде, а в виде таблиц. Обычно эти таблицы можно не только просматривать, но и экспортировать в другие системы.
■ Графики
Обычно SCADA позволяют смотреть и зависимость одних параметров от других, тоже во времени. Хотя это функция и менее востребована технологами, чем тренды.
■ Гистограммы и диаграммы
Другим распространенным способом представления параметров являются гистрограммы (столбиковые диаграммы).
■
Сообщения
Сообщения – это текстовые строки, которые информируют оператора о событиях на объекте в той последовательности, в которой эти события происходят. Они всплывают на экране или отображаются в специально выделенной для этого зоне.
■
Журналы сообщений
Журналы сообщений служат для отображения списков сообщений в том порядке, как они появлялись и были сохранены в архив. Как правило, используются разные экземпляры журналов для разных зон процесса, разных категорий сообщений, разных приоритетов.
■ Контроль прав доступа
Для того, чтобы оператор мог совершить те или иные действия, ему должны быть администратором предоставлены соответствующие права – например, право управлять исполнительным механизмом, или право изменить задание регулятору. В начале смены оператор регистрируется в системе, и она предоставляет ему выполнять только те действия, которые ему разрешены администратором.
■Журнал действий оператора
Управление технологическим процессом очень ответственная задача, поэтому все действия оператора записываются для контроля в специальный журнал, который может быть проанализирован в случае нештатных ситуаций.
■ Формирование отчета
Удобная среда разработки отчетов позволяет легко и быстро подготовить отформатированные и насыщенные информацией отчеты.
ХАРАКТЕРИСТИКИ SCADA-СИСТЕМЫ
- Совместимость с операционными системами;
- Полнофункциональность;
- Открытость;
- Масштабируемость;
- Поддержка промышленных протоколов (собственная драйверная подсистема);
- Совместимость со стандартом OPC (DA, HDA, UA);
- Поддержка доступа через Internet;
- Поддержка баз данных;
- Встроенные языки программирования;
- Средства защиты и надежность;
- Интеграция в системы управления;
- Техническая поддержка;
- Простота разработки и развития;
- Простота обслуживания;
- Стоимость.
ЗАРУБЕЖНЫЕ SCADA-СИСТЕМЫ
Наиболее популярные в России следующие зарубежные SCADA:
– WinCC (Siemens, Германия);
– InTouch (Wonderware, США);
– RSView32 (Rockwell Automation, США);
– Genesis64 (Iconics, США);
– Vijeo Citect (Schneider Electric, Франция).
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ SCADA-СИСТЕМЫ
Наиболее популярные отечественные модели SCADA:
– MasterSCADA (ИнСАТ, Москва);
– TRACE MODE (AdAstra, Москва);
– Круг2000 (Круг, Пенза).
В отличие от большинства западных SCADA все российские содержат встроенные средства программирования контроллеров с использованием языков стандарта МЭК61131-3, в том числе языка функциональных блоков. Причем, если сама SCADA рассчитана на работу в среде Windows на PC-совместимых компьютерах, то исполнительная система для контроллеров может работать и на Logix других платформах, например, Linux на процессоре с архитектурой ARM.
Стандарт OPC поддерживают все перечисленные системы, однако в системе «Trace Mode» упор делается на использование собственных драйверов, а MasterSCADA, хоть и поддерживает использование драйверов, но основывается на технологии «OPC в ядре системы» и предлагает отдельный инструментальный пакет для разработки OPC-серверов.
Сравнительная характеристика зарубежных и отечественных SCADA
Все современные SCADA, как отечественные, так и зарубежные, имеют полный функционал для этого класса программ, поэтому их сравнение по перечню функций в последние годы потеряло смысл. Основное преимущество российских SCADA – это их изначальная нацеленность на российский рынок (русскоязычная, а не переводная документация, техническая поддержка, уровень цен). Можно сделать вывод, что для каждого предприятия или даже применения желательно сделать сравнение нескольких SCADA, как по цене, так и по возможностям. Практически все SCADA имеют пробную версию, которая позволяет проверить ее пригодность для решаемой задачи.
Редакция «КИПинфо»
Электронный журнал “КИПинфо” №17 2013
Популярные товары
SCADA-системы предназначены для осуществления мониторинга и диспетчерского контроля большого числа удаленных объектов (от 1 до 10000 , иногда на расстоянии в тысячи километров друг от друга) или одного территориально распределенного объекта. К таким объектам относятся нефтепроводы, газопроводы, водопроводы, электрораспределительные подстанции, водозаборы, дизель-генераторные пункты и т.д.
Главная задача SCADA-систем – это сбор информации о множестве удаленных объектов, поступающей с пунктов контроля, и отображение этой информации в едином диспетчерском центре. Также, SCADA-система должна обеспечивать долгосрочное архивирование полученных данных. Диспетчер зачастую обладает возможностью не только пассивно наблюдать за объектом, но и им управлять им, реагируя на различные ситуации.
Задачи SCADA-систем:
- обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы;
- обработка информации в реальном времени;
- отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме;
- ведение базы данных реального времени с технологической информацией;
- аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями;
- подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса;
- обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД , электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).
Структура SCADA-систем
Любая SCADA-система включает три компонента: удалённый терминал (RTU – Remote Terminal Unit), диспетчерский пункт управления (MTU – Master Terminal Unit) и коммуникационную систему (CS – Communication System).
Удаленный терминал подключается непосредственно к контролируемому объекту и осуществляет управление в режиме реального времени. Таким терминалом может служить как примитивный датчик, осуществляющий съем информации с объекта, так и специализированный многопроцессорный отказоустойчивый вычислительный комплекс, осуществляющий обработку информации и управление в режиме реального времени.
Диспетчерский пункт управления осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме квазиреального времени. Он обеспечивает человеко-машинный интерфейс. MTU может быть как одиночным компьютером с дополнительными устройствами подключения к каналам связи, так и большой вычислительной системой или локальной сетью рабочих станций и серверов.
Коммуникационная система необходима для передачи данных с RTU на MTU и обратно. В качестве коммуникационной системы могут использоваться следующие каналы передачи данных: выделенные линии, радиосети, аналоговые телефонные линии, ISDN сети, сотовые сети GSM (GPRS). Зачастую устройства подключаются к нескольким сетям для обеспечения надёжности передачи данных.
Особенности процесса управления в SCADA-системах
- В системах SCADA обязательно наличие человека (оператора, диспетчера).
- Любое неправильное воздействие может привести к отказу объекта управления или даже катастрофическим последствиям.
- Диспетчер несет, как правило, общую ответственность за управление системой, которая, при нормальных условиях, только изредка требует подстройки параметров для достижения оптимального функционирования.
- Большую часть времени диспетчер пассивно наблюдает за отображаемой информацией. Активное участие диспетчера в процессе управления происходит нечасто, обычно в случае наступления критических событий - отказов, аварийных и нештатных ситуаций и пр.
- Действия оператора в критических ситуациях могут быть жестко ограничены по времени (несколькими минутами или даже секундами).
Защита SCADA-систем
Среди некоторых пользователей систем SCADA бытует мнение - если система не подключена к интернету , тем самым она застрахована от кибератак. Эксперты не согласны.
Физическая изоляция бесполезна против атак на SCADA-системы, считает Файзел Лакхани (Faizel Lakhani), эксперт по защите информационных ресурсов. По его мнению, физическая изоляция систем равносильна борьбе с ветряными мельницами .
| Большинство SCADA-систем теоретически являются изолированными, однако они все равно не полностью отключены от сети. Кроме того, существуют способы обхода изоляции из-за некорректной настройки систем, наличия тестовых ссылок или потому что кто-то настроил Wi-Fi мост. Системы управления, использующиеся на предприятиях электроэнергетического сектора, создавались без учета безопасности. Они разрабатывались для управления напряжением электрического тока - и это все, что они делают по сей день. Технология SCADA основывалась на устаревших по нынешним меркам протоколах, а системы изначально создавались с возможностью подключения друг к другу, но не к интернету. Однако повсеместно используемый протокол TCP/IP за последние 15 лет добрался и до SCADA-систем. В мире интернета практически все подключено, а значит, не может считаться безопасным.
|
Мнения российских экспертов относительно защищенности систем АСУ ТП и SCADA созвучны. Поскольку вопросы безопасности АСУ ТП попали в фокус всеобщего внимания, некоторые производители защитных решений приступили к разработке продуктов, ориентированных на противостояние угрозам для промышленных информационных комплексов (к числу таких продуктов, в частности, может относиться безопасная операционная система - среда для функционирования только доверенных приложений) .
Отдельные компании начали готовить аналитические материалы по этим вопросам, предпринимая попытки оценить состояние АСУ ТП с точки зрения защищенности. Реакция на эти инициативы со стороны специалистов, работающих с промышленными системами, неоднозначна и не всегда одобрительна. Сторонний наблюдатель может сделать вывод: между эксплуатантами
