Zajem podatkov in sistemi za nadzor delovanja (SCADA sistemi)

Izraz Supervisory Control and Data Acquisition System ali sistem SCADA se je pojavil v poznih osemdesetih letih. XX stoletje. sočasno s prvimi poskusi uporabe osebnih računalnikov z nameščenimi grafičnimi aplikacijami kot operaterske konzole.

Prvi sistemi SCADA so bili razviti za operacijske sisteme DOS ali Unix in so imeli precej skromne zmogljivosti, tako zaradi strojnih omejitev strojne opreme kot grafičnih zmogljivosti operacijskih sistemov. Sistemi SCADA so postali razširjeni hkrati s pojavom grafičnih vmesnikov, kot so Windows 3.11, X-Windows, Phantom in strojne opreme, ki omogoča doseganje potrebne hitrosti izvajanja procesov v večopravilnih načinih.

Razlog za nastanek sistemov SCADA kot vrhunskih orodij za razvoj programske opreme je podoben razlogom za nastanek sistemov kot so Borland Delphi in drugi sistemi za vizualno programiranje.Njihova glavna naloga je razvijalce programske opreme razbremeniti rutinskega in pravzaprav neuporabnega bremena opisovanja standardnih vmesnikov in funkcij. Hkrati je treba razumeti, da uporaba sistemov SCADA ne pomeni zmanjšanja zahtev za kvalifikacijo razvijalca, kot si poskušajo predstavljati.

Razlikovati sisteme MMI (vmesnik človek stroj) in SCADA, saj sta se oba uspešno razvijala neodvisno drug od drugega in zasedla različne niše na trgu naprav HMI (vmesnik človek stroj).

Sistemi MMI so pravzaprav lokalne nadzorne plošče za posamezne naprave ali tehnološke instalacije, opremljene z alfanumeričnimi zasloni in tipkovnicami ali grafičnimi, običajno zasloni na dotik.

V večini primerov je naprava MMI izvedena s pomočjo posebnega krmilnika, njen programski del pa ne pomeni nobenih dodatnih modifikacij ali sprememb.

Hkrati sistemi SCADA vključujejo uporabo standardnih osebnih računalnikov in operacijskih sistemov, uporabljajo se za avtomatizacijo procesov vodenja velikih tehnoloških procesov, v katere je vključeno veliko število izvršilnih naprav in tehnoloških enot, podpirajo pa tudi možnost izvajanje porazdeljenih aplikacij (z uporabo več operaterskih konzol) …

Nemogoče je potegniti jasno mejo med sistemi MMI in SCADA zaradi obstoja programskih sistemov od konca do konca, v katerih pogosto ni razlik med orodji za razvoj programske opreme za različne ravni nadzornega sistema.

Pomanjkanje enotnega standarda, ki bi opisoval namen in funkcionalno sestavo sistemov SCADA ter razlike v interpretacijah samega pojma "SCADA" otežujejo klasifikacijo in primerjavo sistemov tega razreda.

Ločimo lahko naslednje glavne skupine sistemov SCADA:

• SCADA sistemi, ki so jih razvili proizvajalci krmilnikov;

• SCADA sistemi, ki so jih razvili neodvisni proizvajalci;

• Sistemi SCADA so komponente programskih sistemov od konca do konca.

Naloga proizvajalca krmilne opreme pri razvoju lastnega SCADA sistema je zagotoviti končnemu uporabniku orodje za razvoj vizualizacijskih aplikacij s krmilniki tega proizvajalca.

Razlikujemo lahko naslednje glavne značilnosti takih sistemov:

• vmesnik teh sistemov ponavlja vmesnik sredstev za pisanje programske opreme za krmilno opremo;

• Komponente sistema SCADA so optimizirane za delo s podatki, prejetimi iz krmilne opreme določenega proizvajalca;

• Vmesniki za izmenjavo podatkov z opremo drugih proizvajalcev so slabo implementirani ali pa jih je težko uporabljati.

Klasičen primer takega sistema je Siemens WinCC… Uporaba tovrstnih lastniških sistemov po eni strani minimizira stroške usposabljanja strokovnjakov za razvoj programske opreme, po drugi strani pa tako razvijalca kot končnega uporabnika sistema strogo veže na določenega proizvajalca ali celo na določeno linija opreme enega proizvajalca.

Poleg tega so bili številni proizvajalci krmilne opreme prisiljeni razviti lastne sisteme SCADA za tržne namene, ne da bi svojim programskim izdelkom zagotovili zahtevano raven podpore in vzdrževanja.

Sistemi SCADA drugih proizvajalcev so najbolj prilagodljiva orodja za ustvarjanje aplikacij za vizualizacijo in krmiljenje procesov. Njihove prednosti vključujejo podporo velikemu številu funkcij za ustvarjanje decentraliziranih in porazdeljenih nadzornih sistemov ter možnost integracije opreme različnih, tudi konkurenčnih proizvajalcev, v en sistem.

Za izmenjavo podatkov z izvršno opremo takšni sistemi uporabljajo programske V/I strežnike, ki izvajajo vmesnike DDE ali OPC. Širjenje takšnih sistemov SCADA, kot tudi potreba po izpolnjevanju standardov orodij za avtomatizacijo, je privedla do dejstva, da imajo vsi razvijalci krmilne opreme svoje strežniki programske opreme OPC ali DDE, ki se dostavijo v kompletu z opremo ali po naročilu.

Ker programski sistem od konca do konca vključuje razvoj operaterskih postaj kot sestavni del krmilnega sistema, vedno vsebuje ločene komponente SCADA sistema. Ker pa celoten sistem deluje kot celota, so te komponente lahko tudi komponente drugih modulov sistema za programiranje od konca do konca ali pa je sistem SCADA nemogoče ločiti v čisti obliki v programski izdelek.

Takšni sistemi imajo enake prednosti in slabosti kot sistemi SCADA, ki so jih razvili proizvajalci krmilnikov, ob upoštevanju dveh glavnih razlik:

• Sistemi SCADA, ki so sestavni del programskih sistemov od konca do konca, praktično nimajo interoperabilnosti s programsko in strojno opremo drugih proizvajalcev;

• vloga sistema SCADA v takih aplikacijah je omejena na razvoj grafičnega vmesnika.

Sestava in struktura SCADA sistemov

Sestava in struktura SCADA sistemov

Običajno so sistemi SCADA sestavljeni iz dveh ločenih sklopov programskih izdelkov: razvojnega okolja in izvajalnega okolja.

Razvojno okolje se imenuje sklop, s katerim je zasnovano in konfigurirano okolje za vizualizacijo tehnološkega procesa.

Okolje med delom — to je nabor programskih izdelkov, ki so potrebni za delo na projektu programa za vizualizacijo tehnološkega procesa v operaterski postaji.

Ločeno je treba obravnavati vprašanje interakcije med razvojnim okoljem in okoljem izvajanja med delom z istim projektom razvijalca in operaterja:

1. Spremembe, ki jih naredi razvijalec, začnejo veljati takoj.

2. Izvajalno okolje odraža spremembe, narejene v izvorni kodi projekta.

3. Spremembe se odražajo med izvajanjem ob ponovnem zagonu ali vsiljevanju.

Implementacija prvega tipa interakcije omogoča dokaj jasno in učinkovito prikazovanje zmožnosti izdelka v komercialnih predstavitvah, zato je včasih implementirana v končne programske izdelke. Vendar pa pri delu z resničnimi projekti obstaja potencialna nevarnost, da manjka del grafičnega vmesnika ali dinamično premikanje kontrolnikov. V zvezi s tem sta druga in tretja vrsta interakcije ali njuna kombinacija najbolj razširjeni.

Razlikujemo lahko naslednje glavne dele sistema SCADA:

• baza oznak;

• grafični zaslonski modul;

• procesor skriptov;

• alarmni in opozorilni sistem;

• modul za arhiviranje parametrov tehnološkega procesa.

Sistemska oznaka SCADA Je objekt za shranjevanje vrednosti parametra tehnološkega procesa in njegovih lastnosti. Oznake se včasih nepravilno imenujejo "spremenljivke". Hkrati je koncept oznake najbližji definiciji razreda v objektno usmerjenih programskih jezikih.

Grafični prikazni modul implementira grafični vmesnik projekta. Grafični vmesnik je praviloma niz zaslonskih obrazcev z grafičnimi elementi, ki so na njih. Naloga ustvarjanja zaslona se zmanjša na postavitev grafičnih elementov na zaslonske oblike in nastavitev njihovih lastnosti.

V procesu priklica, prikazovanja in zapiranja zaslonskih obrazcev, pri klikanju na grafične objekte, spreminjanju lastnosti ali vrednosti posameznih oznak, je potrebno izvesti izračune ali dejanja, za katera obstajajo skriptni mehanizem… Skripti se v nekaterih sistemih imenujejo tudi »makri« ali »skripte«.

Večina sistemskih skript SCADA, ki izvajajo grafični vmesnik avtomatiziranih operaterskih delovnih postaj, so upravljavci klikov miške na grafične elemente.

Za skripte sistemi SCADA različnih proizvajalcev ponujajo enega ali več jezikov. Sistemi, ki so jih razvili proizvajalci krmilnikov ali kot del programskih sistemov od konca do konca, običajno ponujajo iste programske jezike za skripte kot za pisanje programsko opremo krmilnika… Sistemi SCADA drugih proizvajalcev pogosto ponujajo specializirane makro skriptne jezike.

Uporaba splošnih programskih jezikov vam omogoča implementacijo kompleksnih uporabniških vmesnikov in nestandardnih metod dela s podatki z dostopom do dodatnih knjižnic in API-jev.

Hkrati mora razvijalec v vsakem primeru preučiti knjižnice funkcij za delo s komponentami sistema SCADA, na enak način, kot se preučujejo makro jeziki, implementirana koda pa je lahko potencialno nevarna ali podeduje napake funkcij tretjih oseb knjižnice .

Alarmni sistem je namenjen obveščanju operaterja o vrednosti procesnega parametra izven dovoljenih meja. Praviloma je za vsak tehnološki parameter mogoče nastaviti 2 vrsti nastavitev, v skladu s katerimi se prikaže obvestilo: nastavitve v sili in opozorilne nastavitve.

Odvisno od zmogljivosti sistema so te nastavitve nastavljene glede na enega ali več kriterijev:

• Izven dosega. V tem primeru obstajajo: zgornje in spodnje opozorilne vrednosti ter zgornje in spodnje alarmne vrednosti.

• Odstopanje od nominalne vrednosti neke vrednosti. Razporedite najmanjša in največja dovoljena odstopanja od nastavljene vrednosti.

• Nastavitev največje dovoljene hitrosti spreminjanja vrednosti procesnega parametra. Vrednosti dovoljenih nastavitev območja so določene v absolutnih enotah, odstopanje od nominalne vrednosti in hitrosti spremembe pa je mogoče določiti tako v absolutnih enotah kot v odstotkih trenutne ali nastavljene vrednosti.

Ker je za en tehnološki proces lahko veliko parametrov, za katere so nastavljene zasilne in opozorilne nastavitvene vrednosti, je v sistemih SCADA možno združevanje tehnološko nadzorovanih parametrov v skupine, kot tudi nastavitev stopnje prioritete za poljubne nastavljena točka.

Glavna naloga rezervni modul — zagotavljanje možnosti prikaza grafov tehnoloških parametrov (Trendov) na zaslonu monitorja za relativno kratek čas, kot tudi izdelava enostavnih poročil.Modul za arhiviranje vrednosti sistema SCADA naj bi zagotavljal naslednje funkcije:

• arhiviranje vrednosti v lokalni bazi podatkov z določeno frekvenco ali spremembo;

• pri arhiviranju vrednosti ob spremembi — možnost nastavitve mrtve cone za arhiviranje;

• nastavite omejitev velikosti lokalne baze podatkov;

• nastavitev časa za shranjevanje vrednosti;

• izvajati rutinsko vzdrževanje za odstranitev zastarelih ali najzgodnejših vrednosti, ko je čas shranjevanja ali velikost baze podatkov presežena v samodejnem načinu;

• razpoložljivost vmesnika za gradnjo grafov arhivskih vrednosti in njihov ogled;

• razpoložljivost sistema za izvoz vrednosti parametrov za določeno obdobje v obliki tabele vrednosti.