Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển vận hành (hệ thống SCADA)

Thuật ngữ Hệ thống thu thập dữ liệu và kiểm soát giám sát hoặc hệ thống SCADA xuất hiện vào cuối những năm 1980. Thế kỷ XX. đồng thời với những nỗ lực đầu tiên sử dụng máy tính cá nhân với các ứng dụng đồ họa được cài đặt trên chúng làm bảng điều khiển cho người vận hành.

Các hệ thống SCADA đầu tiên được phát triển cho các hệ điều hành DOS hoặc Unix và có khả năng khá khiêm tốn, cả do hạn chế của phần cứng và khả năng đồ họa của hệ điều hành. Các hệ thống SCADA trở nên phổ biến đồng thời với sự xuất hiện của các giao diện đồ họa, chẳng hạn như Windows 3.11, X-Windows, Phantom và phần cứng cho phép bạn đạt được tốc độ thực thi quy trình cần thiết ở chế độ đa nhiệm.

Lý do cho sự xuất hiện của các hệ thống SCADA với tư cách là công cụ phát triển phần mềm cấp cao nhất cũng tương tự như lý do cho sự xuất hiện của các hệ thống như Borland Delphi và các hệ thống lập trình trực quan khác.Nhiệm vụ chính của chúng là giải phóng các nhà phát triển phần mềm khỏi gánh nặng thông thường và thực sự vô ích trong việc mô tả các giao diện và chức năng tiêu chuẩn. Đồng thời, cần hiểu rằng việc sử dụng các hệ thống SCADA không có nghĩa là giảm các yêu cầu đối với trình độ chuyên môn của nhà phát triển, như họ cố gắng tưởng tượng.

Phân biệt các hệ thống MMI (Giao diện người máy) Và SCADA, vì cả hai đều phát triển thành công độc lập với nhau, chiếm lĩnh những ngóc ngách khác nhau trên thị trường thiết bị HMI (Giao diện người máy).

Hệ thống MMI thực sự là bảng điều khiển cục bộ cho các thiết bị riêng lẻ hoặc cài đặt công nghệ, được trang bị màn hình chữ và số và bàn phím hoặc đồ họa, thường là màn hình cảm ứng.

Trong hầu hết các trường hợp, thiết bị MMI được triển khai bằng bộ điều khiển đặc biệt và phần mềm của nó không ngụ ý bất kỳ sửa đổi hoặc thay đổi bổ sung nào.

Đồng thời, các hệ thống SCADA bao gồm việc sử dụng các máy tính cá nhân và hệ điều hành tiêu chuẩn, được sử dụng để tự động hóa quy trình quản lý các quy trình công nghệ lớn, trong đó có một số lượng lớn các thiết bị điều hành và đơn vị công nghệ, đồng thời hỗ trợ khả năng triển khai các ứng dụng phân tán (sử dụng nhiều bảng điều khiển)…

Không thể vạch ra một ranh giới rõ ràng giữa các hệ thống MMI và SCADA do sự tồn tại của các hệ thống lập trình đầu cuối, trong đó thường không có sự phân biệt giữa các công cụ phát triển phần mềm cho các cấp độ khác nhau của hệ thống điều khiển.

Việc thiếu một tiêu chuẩn duy nhất mô tả mục đích và thành phần chức năng của các hệ thống SCADA và sự khác biệt trong cách giải thích thuật ngữ "SCADA" đã làm phức tạp việc phân loại và so sánh các hệ thống thuộc loại này.

Có thể phân biệt các nhóm hệ thống SCADA chính sau đây:

• hệ thống SCADA được phát triển bởi các nhà sản xuất bộ điều khiển;

• hệ thống SCADA được phát triển bởi các nhà sản xuất độc lập;

• Các hệ thống SCADA là các thành phần của hệ thống lập trình end-to-end.

Nhiệm vụ của nhà sản xuất thiết bị điều khiển trong việc phát triển hệ thống SCADA của riêng họ là cung cấp cho người dùng cuối một công cụ để phát triển các ứng dụng trực quan sử dụng bộ điều khiển từ nhà sản xuất đó.

Các đặc điểm chính sau đây của các hệ thống như vậy có thể được phân biệt:

• giao diện của các hệ thống này lặp lại giao diện của phương tiện viết phần mềm cho thiết bị điều khiển;

• Các thành phần của hệ thống SCADA được tối ưu hóa để hoạt động với dữ liệu nhận được từ thiết bị điều khiển của một nhà sản xuất cụ thể;

• Giao diện trao đổi dữ liệu với thiết bị của các nhà sản xuất khác được triển khai kém hoặc khó sử dụng.

Một ví dụ cổ điển của một hệ thống như vậy là WinCC của Siemens… Việc sử dụng các hệ thống độc quyền như vậy, một mặt, giảm thiểu chi phí đào tạo các chuyên gia phát triển phần mềm, nhưng mặt khác, nó ràng buộc chặt chẽ cả nhà phát triển và người dùng cuối của hệ thống với một nhà sản xuất cụ thể hoặc thậm chí với một nhà sản xuất cụ thể. dòng thiết bị từ một nhà sản xuất.

Ngoài ra, một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển đã buộc phải phát triển hệ thống SCADA của riêng họ cho mục đích tiếp thị mà không cung cấp cho các sản phẩm phần mềm của họ mức độ hỗ trợ và bảo trì cần thiết.

Các hệ thống SCADA của bên thứ ba là những công cụ linh hoạt nhất để tạo các ứng dụng điều khiển và trực quan hóa quy trình. Ưu điểm của chúng bao gồm hỗ trợ một số lượng lớn các chức năng để tạo các hệ thống điều khiển phi tập trung và phân tán, cũng như khả năng tích hợp thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau, bao gồm cả cạnh tranh, vào một hệ thống.

Để trao đổi dữ liệu với thiết bị điều hành, các hệ thống như vậy sử dụng máy chủ I / O phần mềm triển khai giao diện DDE hoặc OPC. Sự phổ biến của các hệ thống SCADA như vậy, cũng như nhu cầu tuân thủ các tiêu chuẩn công cụ tự động hóa, dẫn đến thực tế là tất cả các nhà phát triển thiết bị điều khiển đều có hệ thống điều khiển của riêng họ. Máy chủ phần mềm OPC hoặc DDE, được giao hoàn chỉnh với thiết bị hoặc để đặt hàng.

Do hệ thống lập trình end-to-end bao gồm việc phát triển các trạm điều hành như một phần không thể thiếu của hệ thống điều khiển nên nó luôn chứa các thành phần riêng biệt của hệ thống SCADA. Tuy nhiên, vì toàn bộ chức năng của hệ thống là một tổng thể nên các thành phần này cũng có thể là thành phần của các mô-đun khác của hệ thống lập trình đầu cuối hoặc có thể không thể tách hệ thống SCADA ở dạng thuần túy thành một sản phẩm phần mềm.

Những hệ thống như vậy có những ưu điểm và nhược điểm giống như các hệ thống SCADA do các nhà sản xuất bộ điều khiển phát triển, có tính đến hai điểm khác biệt chính:

• Các hệ thống SCADA, là một phần không thể thiếu của các hệ thống lập trình đầu cuối, thực tế không có khả năng tương tác với phần mềm và phần cứng của các nhà sản xuất khác;

• vai trò của hệ thống SCADA trong các ứng dụng như vậy chỉ giới hạn ở việc phát triển giao diện đồ họa.

Thành phần và cấu trúc của hệ thống SCADA

Thành phần và cấu trúc của hệ thống SCADA

Thông thường, các hệ thống SCADA bao gồm hai bộ sản phẩm phần mềm riêng biệt: môi trường phát triển và môi trường thực thi.

Môi trương phat triển được gọi là tập hợp mà môi trường để trực quan hóa quy trình công nghệ được thiết kế và cấu hình.

Môi trường trong quá trình làm việc — đây là một bộ sản phẩm phần mềm cần thiết cho công việc trong dự án chương trình để trực quan hóa quy trình công nghệ trong trạm của người vận hành.

Một cách riêng biệt, cần xem xét vấn đề tương tác giữa môi trường phát triển và môi trường thời gian chạy trong quá trình làm việc với cùng một dự án của nhà phát triển và nhà điều hành:

1. Các thay đổi do nhà phát triển thực hiện sẽ có hiệu lực ngay lập tức.

2. Thời gian chạy phản ánh những thay đổi được thực hiện như được tìm thấy trong mã nguồn dự án.

3. Các thay đổi được phản ánh trong thời gian chạy khi khởi động lại hoặc bắt buộc.

Việc triển khai loại tương tác đầu tiên giúp thể hiện khá rõ ràng và hiệu quả các khả năng của sản phẩm trong các bài thuyết trình thương mại và do đó, đôi khi nó được triển khai trong các sản phẩm phần mềm cuối cùng. Tuy nhiên, khi làm việc với các dự án thực tế, có nguy cơ tiềm ẩn là thiếu một phần của giao diện đồ họa hoặc chuyển động động của các điều khiển. Về vấn đề này, loại tương tác thứ hai và thứ ba hoặc sự kết hợp của chúng là phổ biến nhất.

Có thể phân biệt các phần chính sau đây của hệ thống SCADA:

• cơ sở thẻ;

• mô-đun hiển thị đồ họa;

• bộ xử lý kịch bản;

• hệ thống báo động và cảnh báo;

• module lưu trữ thông số quy trình công nghệ.

Thẻ hệ thống SCADA Là đối tượng lưu trữ giá trị của một thông số quy trình công nghệ và các thuộc tính của nó. Nhãn đôi khi được gọi không chính xác là "biến". Đồng thời, khái niệm nhãn gần nhất với định nghĩa lớp trong các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng.

Mô-đun hiển thị đồ họa thực hiện giao diện đồ họa của dự án. Theo quy định, giao diện đồ họa là một tập hợp các dạng màn hình với các phần tử đồ họa được đặt trên chúng. Nhiệm vụ tạo màn hình được rút gọn thành việc đặt các phần tử đồ họa trên các hình dạng màn hình và thiết lập các thuộc tính của chúng.

Trong quá trình gọi, hiển thị và đóng các biểu mẫu màn hình, khi nhấp vào các đối tượng đồ họa, thay đổi thuộc tính hoặc giá trị của các thẻ riêng lẻ, cần phải thực hiện các phép tính hoặc hành động có công cụ kịch bản… Tập lệnh còn được gọi là “macro” hoặc “tập lệnh” trong một số hệ thống.

Hầu hết các tập lệnh hệ thống SCADA triển khai giao diện đồ họa của các máy trạm vận hành tự động là các trình xử lý nhấp chuột trên các phần tử đồ họa.

Đối với tập lệnh, hệ thống SCADA của các nhà sản xuất khác nhau cung cấp một hoặc nhiều ngôn ngữ. Các hệ thống được phát triển bởi các nhà sản xuất bộ điều khiển hoặc là một phần của hệ thống lập trình đầu cuối thường cung cấp các ngôn ngữ lập trình giống nhau để viết kịch bản cũng như để viết phần mềm điều khiển… Các hệ thống SCADA của bên thứ ba thường cung cấp các ngôn ngữ kịch bản macro chuyên dụng.

Sử dụng các ngôn ngữ lập trình có mục đích chung cho phép bạn triển khai các giao diện người dùng phức tạp và các phương pháp làm việc với dữ liệu phi tiêu chuẩn bằng cách truy cập các thư viện và API bổ sung.

Đồng thời, trong mọi trường hợp, nhà phát triển phải nghiên cứu các thư viện chức năng để làm việc với các thành phần của hệ thống SCADA, giống như cách ngôn ngữ macro được nghiên cứu và mã được triển khai có thể tiềm ẩn nguy hiểm hoặc thừa hưởng lỗi từ chức năng của bên thứ ba thư viện .

hệ thống báo động nhằm mục đích thông báo cho người vận hành về giá trị của tham số quá trình nằm ngoài giới hạn cho phép. Theo quy định, đối với mỗi tham số công nghệ, có thể đặt 2 loại cài đặt theo đó thông báo sẽ xuất hiện: tương ứng, cài đặt khẩn cấp và cảnh báo.

Tùy thuộc vào khả năng của hệ thống, các cài đặt này được đặt theo một hoặc nhiều tiêu chí:

• Ngoài phạm vi. Trong trường hợp này có: giá trị cảnh báo trên và dưới và giá trị cảnh báo trên và dưới.

• Một độ lệch từ giá trị danh nghĩa của một số giá trị. Phân phối độ lệch cho phép tối thiểu và tối đa so với giá trị đặt.

• Đặt tốc độ thay đổi tối đa cho phép của giá trị tham số quy trình. Các giá trị của cài đặt phạm vi cho phép được chỉ định theo đơn vị tuyệt đối và độ lệch so với danh nghĩa và tốc độ thay đổi có thể được chỉ định cả theo đơn vị tuyệt đối và theo tỷ lệ phần trăm của giá trị điểm đặt hoặc hiện tại.

Do thực tế là đối với một quy trình công nghệ, số lượng tham số đặt điểm đặt cảnh báo và khẩn cấp có thể lớn, trong các hệ thống SCADA có thể kết hợp các tham số được điều khiển bằng công nghệ thành các nhóm, cũng như đặt mức độ ưu tiên cho bất kỳ quy trình công nghệ nào. điểm đặt.

nhiệm vụ chinh mô-đun sao lưu — cung cấp khả năng hiển thị biểu đồ các tham số công nghệ (Xu hướng) trên màn hình điều khiển trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, cũng như xây dựng các báo cáo đơn giản. Mô-đun lưu trữ các giá trị của hệ thống SCADA nên cung cấp các chức năng sau:

• lưu trữ các giá trị trong cơ sở dữ liệu cục bộ với tần suất hoặc thay đổi nhất định;

• khi lưu trữ các giá trị khi thay đổi — khả năng đặt vùng chết để lưu trữ;

• đặt giới hạn kích thước cơ sở dữ liệu cục bộ;

• cài đặt thời gian lưu giá trị;

• thực hiện bảo trì định kỳ để loại bỏ các giá trị lỗi thời hoặc sớm nhất khi vượt quá thời gian lưu trữ hoặc kích thước cơ sở dữ liệu ở chế độ tự động;

• tính khả dụng của giao diện để xây dựng biểu đồ giá trị lưu trữ và xem chúng;

• tính khả dụng của hệ thống xuất các giá trị tham số trong khoảng thời gian đã chỉ định dưới dạng bảng giá trị.