SCADA системи в енергетиката Добивът и транспортът на суровините, производството, разпределението и измерването на електрическата енергия във всички точки на енергийната система стават все по-сложни. Изискванията за точност, оптимизацията за повишаване на ефективността, намалението на авариите, намаляването на времето и стойността на ремонтите, правилното планиране на реконструкциите, модернизацията и извеждането от експлоатация на съоръженията изискват все по-точно измерване, по-ефективен контрол и дълго съхранение на снетите данни.
Непрекъснато изменящата се и усложняваща се технология налага съкратени срокове за обучение и преподготовка на персонала.
текст инж. Петър Петров
В процеса на експлоатация на съоръженията може да се натрупа ценна статистическа информация, която да доведе до по-висока сигурност и ефективност на следващите проекти. За тази цел са необходими електронни бази от данни с подходяща организация. Това са само част от причините, довели до все по-голямото използване на компютъризираните продукти в енергетиката.
Приложението на тези продукти е на всички нива – от устройствата, свързани непосредствено с датчиците, концентраторите на данни и комуникационните мрежови устройства, контролно-управляващите системи в пултовете за управление, системите за обучение в образователните центрове и учебните заведения, до системите за симулация в институтите за научни изследвания.
Съвременните контролно-управляващи системи изискват сложни и високонадеждни програмно-апаратни комплекси. В тази статия ще разгледаме системите, обединявани с термина SCADA, които на практика изпълняват функциите на системи за събиране на информация в реално време от промишлени процеси, с последващо индициране на данните, изчисляване на управляващите въздействия за коригиране на наблюдаваните процеси в желаните граници и регистриране на събитията.
Системите от типа SCADA са доста разнообразни, но имат и много общи черти. Точното дефиниране на понятията в компютъризираните системи е доста трудно, защото усилията за автоматизация и централизиране на контрола и управлението се движеха от много фирми в различни страни и всичките те вървяха по различни пътища. Но понеже във всяка индустрия има общи черти и силен стремеж към унификация, стандартизация и глобализация, се стигна и до много общи черти, както на ниво хардуер, така и на ниво софтуер.
Системите от групата SCADA могат да съдържат едно или повече нива. Например, система с три нива съдържа на първо ниво устройства за връзка с датчиците и изпълнителните механизми, на второ ниво комуникационни компютри, които могат да имат извести обработващи и контролно-управляващи функции, и на трето ниво – работни станции за връзка с операторите. Тези станции изпълняват ролята и на интерфейс човек-машина.
Системите от групата SCADA стават все по-популярни. Те се използват в енергетиката за управление на трафика, на водните ресурси, на отпадъците, включително и на отпадъчните води, системите за сигурност, системите за достъп до сградите, всякакви видове тръбопроводи, масовия градски транспорт, метрото, железопътния транспорт, включително и системите за прелези, надлези и подлези и т.н. Тоест, старите електронни системи за събиране на информация от аналогови и цифрови датчици еволюираха и с новите си функции се превърнаха в системи от групата SCADA, включваща в себе си и всичко от предходните системи за автоматизация.
Трябва да направим уточнението, че под термина SCADA понякога се разбира определен клас специализиран софтуер, използван за обучение, моделиране, симулиране и управление на производствени процеси, но в същност понятието е много по-широко от това му тълкуване и включва и хардуер.
Основни въпроси за SCADA
След като отговорихме накратко на това какво е SCADA, нека видим кои са основните въпроси, с които се сблъскват ръководителите и специалистите при избора и работа със системите от тази група. Списъкът е много дълъг, защото това са системи със стотици и дори хиляди параметри, но все пак има няколко основни въпроса, с които се започва.
В началото се търси отговор на въпроса приложими ли са системите SCADA в конкретния случай или проблемът може се реши с малък брой прости несвързани помежду си устройства. Прави се оценка дали прилагането на SCADA може да повиши ефективността на предприятието, така че да направи приложението икономически изгодно. Оценяват се инвестициите, възможните придобивки и след колко време ще се получат. Прави се оценка на предлаганите на пазара решения от типа SCADA.
Проверява се къде в отрасъла са прилагани подобни системи, какви са оценките и перспективите пред тях. Правят се варианти на поне три системи, решаващи проблемите на конкретното приложение, и се моделират резултатите. Важно е да се реши правилно на кой да се възложи разработката на новата система – на външна фирма, на вътрешен екип или и на комбинация от двете. Това са само част от въпросите, на които трябва да се даде правилен отговор преди да се продължи по-нататъшна работа по проекта.
Изграждане на концептуалния модел на системата
Както хардуерната, така и софтуерната част на съвременните цифрови системи показва все по-голяма унификация, което се проявява дори и на ниво архитектура на системите. Съществува обаче една страна на системите SCADA, по която те се различават значително, а именно концептуалният модел, заложен в системата и най-вече в нейния софтуер. Това е така, защото конкретните условия на приложение на системите обикновено се различават значително.
Системите SCADA се изграждат на ниво цех, производствен участък, предприятие, комбинат и група предприятия. Съвременните предприятия се характеризират с голямо разнообразие на закупено оборудване, част от което е променено така, че да се адаптира напълно към местните изисквания.
Производителите на системи от типа SCADA обикновено предлагат широк набор от готови решения, които с тяхна помощ, а понякога и самостоятелно, могат да се адаптират към условията на конкретното приложение. Независимо от това, интегрирането на всички устройства и подсистеми в една работоспособна може да изисква дълъг етап на проучване и изследване, а също и експертиза за изготвяне на документи, касаещи разработката, внедряването, експлоатацията, предполагаеми преструктурирания, демонтаж и рециклиране на оборудването. Особено отговорна е разработката и адаптацията на софтуера, която обикновено изисква интензивна работа.
Разработването на структурата на системата, която може да бъде направена на йерархичен принцип, с интерфейсите, комуникационния хардуер и софтуер е може би най-важният етап от проекта SCADA. Грешките на този етап могат да направят цялата система неефективна или дори пречеща на производството. Основно изискване е системата да е модулна и да подлежи на развитие и усъвършенстване, а от друга страна да е достатъчно добре защитена в случай на грешки и злоумишлени действия.
Обикновено важна част от всяка система SCADA е разработване на симулатор на системата, който се използва както за проверка на нейното действие преди внедряването в производството, така и за обучение и сертифициране на кадрите, които ще я използват. Обикновено системите от типа SCADA са толкова сложни, че се налага да се поддържат специалисти по подсистемите и устройствата включени в нея.
Основни функции
Развитието на технологиите даде възможност системите, които функционираха по-рано отделно и се произвеждаха от специализирани фирми, сега да се включат в нов, по-мощен клас от интегрирани системи, които имат следните основни функции: събиране и обработка на данни от всякакви датчици; изпращане на данните от датчиците към по-високите нива на системата; представяне на данните в удобна за възприемане от човека форма; регистриране на данните на един или няколко носителя, с цел тяхното документиране и архивиране; подпомагане на операторите в изчисляването на управляващите въздействия и вземането на решения; комуникиране на решенията на по-горните нива до блоковете, работещи с управляващите устройства; проследяване на изпълнението на управляващите въздействия, задействане на аларми и защити при възникване на критични ситуации; архивиране на информацията и др.
Комуникация в системите SCADA
Както архитектурата, така и комуникационните особености на системите SCADA са изключително разнообразни и са тясно свързани с конкретното приложение. За всяко приложение обикновено има специфични изисквания за вградената електроника. Понеже ембедед системи с твърда и вградена логика имат повече от четиридесет годишна история, за много от приложенията има разработени както неформални стандарти, около които са групирани определени производители, така и формализирани стандарти от организации като EIA, ISO, IEEE и др.
Стандартите, които се използват за комуникация, могат да бъдат галванично изолирани като токов кръг или неизолирани като популярните RS232, RS422, RS423, RS485 и др. Интерфейсите могат да са симетрични и несиметрични. Съществуват редица комуникационни протоколи, които са започнали своето приложение като вътрешнофирмени и затворени, но след като са се наложили са придобили популярност и се използват като отворени индустриални стандарти. Може да се каже, че в последните години много фирми вървят към отваряне на част от протоколите и интерфейсите, с цел да се облекчи внедряването на приложенията. Използват се протоколи и стандарти като Modbus, BACnet, Profibus, Filedbus, Ethernet и др.
Софтуерът за SCADA
Въпреки големите различия в реализациите на системите, SCADA софтуерът за тях има няколко основни функции. Те са събирането на данните, обработката им, представянето им на операторите и поддържане на диалог с тях.
За разлика от програмируемите контролери, където на практика има пет стандартизирани до голяма степен езици за програмиране, при системите от типа SCADA има много по-голямо разнообразие от начини за програмиране, което се прави според нивото на устройството в архитектурата на системата за която се разработва софтуера.
Важна функция на SCADA е представянето на данните за операторите и поддържането на диалога с тях. Въпреки че всяко от устройствата в системата може да има вградени средства за комуникация с персонала като индикатори, ключове, малки клавиатури и др., основната част от презентацията на данните се прави в главната станция. Чрез нея операторите имат достъп до всички устройства в системата, могат да наблюдават всички входове и да управляват всички изходи. Графичният интерфейс се управлява с менюта и включва лесни за разбиране и донякъде стандартизирани изображения на процесите, които се наблюдават в системата. Изображенията могат да покажат местата на датчиците в предприятието и изпълнителните механизми и близо до тях да показват текущите, целевите и праговите стойности на величините. Главната станция може да включва и елементите на изкуствен интелект, за да поддържа управлението на системата в зададените стойности.
Най-често комуникацията между главната станция и операторите се извършва със средства, подобни на тези на персоналния компютър: дисплей, клавиатура, мишка, принтер, дисплей, който реагира на докосване. Понякога ролята на главна станция се изпълнява от персонален компютър в индустриално или офис изпълнение.
Апаратна част на SCADA
Апаратната част на устройствата, влизащи в системите, наричани понастоящем SCADA, започват да се развиват първи. Ако се ограничим само до нивото на интерфейсите с производствените процеси, може да се каже, че те са достигнали до висока степен на стандартизация, както на ниво входове, така и на ниво изходи. Например, обхватите по напрежения, токове, температури, налягане и други производствени величини са до голяма степен унифицирани във всички съвременни системи. Когато се наложи, между датчиците и изпълнителните механизми и електрониката със стандартни входове и изходи се включват интерфейсни блокове за привеждане на сигналите в норма. Най-общо казано, апаратната част е унифицирана до голяма степен и тук някакви революционни промени не се очакват в близко бъдеще.
Аларми
Системите от групата SCADA могат да обслужват стотици и дори хиляди входни и изходни точки. За повечето от тях могат да се установят прагови стойности при преминаването, на които да се задействат аларми и дори автоматично да се предприемат коригиращи действия. Става дума не само за хардуерни събития, но и за аларми, породени от поведението на програмни продукти, считано за подозрително. На практика се получава така, че в дадени моменти може да има прекалено много аларми и операторите да не могат да предприемат правилни решения, което да доведе до щети. Понякога, за да има спокойствие на пулта за управление, част от повтарящите се аларми се деактивират или се понижава приоритета им, или се променят праговите им стойности и то не съвсем добре обосновано. Това може и да не е проблем, ако след това се окаже, че поведението на операторите и на системата е било адекватно на създалата се ситуация, но може и да доведе до конфликти.
Тъй като системите стават все по-сложни и включват в себе си все повече технологии, произвеждани за дълъг период от време, фирмите производители и понякога фирмата, комплектувала системата определена като SCADA, запазват директна връзка с нея. Те получават по жичен или безжичен път информация от системата, с цел в случай на нужда да подпомогнат по-ефективно операторите. Други производители осигуряват поддръжка само на продукти, произведени през последните няколко години и на практика изоставят по-старите системи. Това е в сила най-вече за програмните продукти, които могат да имат стотици или дори хиляди варианти и корекции с десетки хиляди известни проблеми или грешки. Често тези продукти са в непрекъснато доразвиване и усъвършенстване от съвместен екип на производителя на системата и потребителите.
SCADA и сигурността
Исторически погледнато, системите обединени понастоящем под термина SCADA не са специално проектирани да осигуряват висока сигурност на всички нива. Усилията са били съсредоточени в създаването на високонадеждни, ефективни, евтини и гъвкави решения, управлявани от надежден персонал, и охранявани така, че в тях да не може да се вкарат програми, специално проектирани да нанасят щети. Тук не говорим за неизбежните грешки и несъвършенства при разработката, тестването и поддръжката на хардуера и софтуера, а за активни опити за нанасяне на щети чрез вреден софтуер. По темата се дискутира много, поради опасностите, които могат да възникнат. Системите SCADA и документацията към тях са по принцип достъпни за по-ограничен кръг проверени служители. Независимо от това, през последните петнадесетина години има документирани случаи на въвеждане на компютърни вируси в SCADA системи от недоволни служители на фирмата и от конкурентни фирми и институции.
Нещата се усложниха още повече когато в SCADA системите започнаха да се използват популярни търговски операционни системи, програмни продукти и интернет приложения, при създаването на които сигурността не е била на първо място. А пък и едва ли някои може да предвиди всички видове атаки към една компютъризирана система.
Големите производители на системи SCADA поддържат списък на известните софтуерни атаки над техните системи. Те имат ръководства по компютърна сигурност с препоръки за защита на уязвимите файлове, списъци с известните вируси, начините за неутрализирането им и други въпроси по сигурността. Обикновено главната станция е мястото от където се провеждат компютърните атаки към системата SCADA. Ето защо достъпът до нея и работата с нея се подчиняват на строги правила.
Перспективи
Все по-голямата автоматизация на измерванията и управлението на процесите в енергетиката засега са възможни само на базата на масовото използване на програмируеми цифрови компютри. Изискванията са да функционират само с високонадежден софтуер. Ето защо програмните продукти, влизащи в класа на SCADA, ще се развиват успешно през следващите години. Става дума за системи, работещи в реално време и с важно и дори жизненоважно значение за обектите, които се обслужват от софтуера. По тази причина към него се предявяват все по-строги изисквания.
Тук има отлична възможност да се развиват нови концепции за програмни езици, нови разработки на езици за програмиране, нови операционни системи за реално време, нови и по-лесно възприемани графични и звукови интерфейси за диалог с операторите на системите, по-добри стандарти за надеждност на софтуера и по-сигурни процеси за осигуряването на тези стандарти и други нововъведения. Може да се предположи, че терминът SCADA ще включи в себе си всички програмно-апаратни комплекси от промишлеността, транспорта и енергетиката, които по един или друг начин събират информация от разнообразни датчици и я използват за привеждане в норма на проследяваните процеси.27/09/2013 |
