מערכות רכישת נתונים ובקרה תפעולית (מערכות SCADA)

המונח מערכת בקרה ורכישת נתונים או מערכת SCADA הופיע בסוף שנות ה-80. המאה העשרים. במקביל לניסיונות הראשונים להשתמש במחשבים אישיים עם אפליקציות גרפיות המותקנות עליהם כקונסולות מפעיל.

מערכות ה-SCADA הראשונות פותחו עבור מערכות הפעלה DOS או Unix והיו בעלות יכולות צנועות למדי, הן בשל מגבלות החומרה של החומרה והן בשל היכולות הגרפיות של מערכות ההפעלה. מערכות SCADA הפכו נפוצות במקביל להופעת ממשקים גרפיים, כגון Windows 3.11, X-Windows, Phantom וחומרה המאפשרת לך להשיג את המהירות הדרושה של ביצוע תהליכים במצבי ריבוי משימות.

הסיבה להופעתם של מערכות SCADA ככלי פיתוח תוכנה ברמה העליונה דומה לסיבות להופעתן של מערכות כמו Borland Delphi ומערכות תכנות חזותיות אחרות.המשימה העיקרית שלהם היא לפטור מפתחי תוכנה מהנטל השגרתי ואכן חסר התועלת של תיאור ממשקים ופונקציות סטנדרטיות. יחד עם זאת, יש להבין כי השימוש במערכות SCADA אינו מרמז על הפחתה בדרישות ההסמכה של היזם, כפי שמנסים לדמיין.

הבחנה בין המערכות MMI (ממשק אדם) ו SCADA, שכן שניהם התפתחו בהצלחה ללא תלות זה בזה, ותופסים נישות שונות בשוק המכשירים HMI (ממשק מכונה אנושית).

מערכות MMI הן למעשה לוחות בקרה מקומיים עבור מכשירים בודדים או מתקנים טכנולוגיים, המצוידים במסכים אלפאנומריים ומקלדות או גראפיות, בדרך כלל מסכי מגע.

ברוב המקרים, התקן MMI מיושם באמצעות בקר מיוחד, וחלק התוכנה שלו אינו מרמז על שינויים או שינויים נוספים.

במקביל, מערכות SCADA כוללות שימוש במחשבים אישיים ומערכות הפעלה סטנדרטיות, משמשות לאוטומציה של תהליך ניהול תהליכים טכנולוגיים גדולים, בהם מעורבים מספר רב של התקני ניהול ויחידות טכנולוגיות, וכן תומכות באפשרות של הטמעת אפליקציות מבוזרות (באמצעות קונסולות מפעיל מרובות) …

אי אפשר למתוח קו ברור בין מערכות MMI ו-SCADA בשל קיומן של מערכות תכנות מקצה לקצה בהן אין לרוב הבחנה בין כלי פיתוח תוכנה לרמות שונות של מערכת הבקרה.

היעדר תקן אחד המתאר את המטרה וההרכב הפונקציונלי של מערכות SCADA וההבדל בפרשנויות של המונח "SCADA" עצמו מסבכים את הסיווג וההשוואה של מערכות מחלקה זו.

ניתן להבחין בין הקבוצות העיקריות הבאות של מערכות SCADA:

• מערכות SCADA שפותחו על ידי יצרני בקרים;

• מערכות SCADA שפותחו על ידי יצרנים עצמאיים;

• מערכות SCADA הן מרכיבים של מערכות תכנות מקצה לקצה.

המשימה של יצרן ציוד הבקר בפיתוח מערכת SCADA משלהם היא לספק למשתמש הקצה כלי לפיתוח יישומי ויזואליזציה באמצעות בקרים של אותו יצרן.

ניתן להבחין בין המאפיינים העיקריים הבאים של מערכות כאלה:

• הממשק של מערכות אלו חוזר על הממשק של אמצעי כתיבת תוכנה לציוד הבקר;

• רכיבי מערכת SCADA מותאמים לעבודה עם נתונים המתקבלים מציוד בקרה של יצרן ספציפי;

• ממשקים לחילופי נתונים עם ציוד מיצרנים אחרים מיושמים בצורה גרועה או קשים לשימוש.

דוגמה קלאסית למערכת כזו היא סימנס WinCC... השימוש במערכות קנייניות כאלה, מצד אחד, ממזער את עלות הכשרת מומחים לפיתוח תוכנה, אך מצד שני, הוא מחייב בקפדנות הן את המפתח והן את משתמש הקצה של המערכת ליצרן ספציפי או אפילו ליצרן ספציפי קו ציוד מיצרן אחד.

בנוסף, מספר יצרני ציוד בקרה נאלצו לפתח מערכות SCADA משלהם למטרות שיווק מבלי לספק למוצרי התוכנה שלהם את רמת התמיכה והתחזוקה הנדרשת.

מערכות SCADA של צד שלישי הן הכלים הגמישים ביותר ליצירת יישומי ויזואליזציה ובקרה של תהליכים. היתרונות שלהם כוללים תמיכה במספר רב של פונקציות ליצירת מערכות בקרה מבוזרות ומפוזרות, כמו גם את היכולת לשלב ציוד מיצרנים שונים, כולל מתחרים, למערכת אחת.

כדי להחליף נתונים עם ציוד מנהלים, מערכות כאלה משתמשות בשרתי I/O של תוכנות המטשמות ממשקי DDE או OPC. התפשטותן של מערכות SCADA כאלה, כמו גם הצורך לעמוד בתקני כלי אוטומציה, הובילו לעובדה שלכל מפתחי ציוד הבקרים יש משלהם שרתי תוכנה OPC או DDE, הנמסרים שלמים עם ציוד או לפי הזמנה.

מאחר ומערכת התכנות מקצה לקצה כוללת פיתוח של עמדות מפעיל כחלק אינטגרלי ממערכת הבקרה, היא מכילה תמיד רכיבים נפרדים של מערכת SCADA. עם זאת, מכיוון שהמערכת כולה מתפקדת כמכלול, רכיבים אלו עשויים להיות גם רכיבים של מודולים אחרים של מערכת התכנות מקצה לקצה, או שלא ניתן יהיה להפריד את מערכת SCADA בצורתה הטהורה למוצר תוכנה.

למערכות כאלה יש את אותם יתרונות וחסרונות כמו למערכות SCADA שפותחו על ידי יצרני בקרים, תוך התחשבות בשני הבדלים עיקריים:

• למערכות SCADA, שהן חלק בלתי נפרד ממערכות תכנות מקצה לקצה, אין למעשה יכולת פעולה הדדית עם תוכנה וחומרה של יצרנים אחרים;

• תפקידה של מערכת SCADA ביישומים כאלה מוגבל לפיתוח ממשק גרפי.

הרכב ומבנה של מערכות SCADA

הרכב ומבנה של מערכות SCADA

בדרך כלל, מערכות SCADA מורכבות משתי קבוצות נפרדות של מוצרי תוכנה: סביבת פיתוח וסביבת ביצוע.

סביבת פיתוח נקרא הסט שאיתו מתוכננת ומוגדרת הסביבה להדמיה של התהליך הטכנולוגי.

סביבה במהלך העבודה — זהו סט של מוצרי תוכנה הנחוצים לעבודה על פרויקט התוכנית להדמיה של התהליך הטכנולוגי בעמדת המפעיל.

בנפרד, יש לשקול את נושא האינטראקציה בין סביבת הפיתוח לסביבת זמן הריצה במהלך עבודה עם אותו פרויקט של היזם והמפעיל:

1. שינויים שבוצעו על ידי היזם נכנסים לתוקף באופן מיידי.

2. זמן הריצה משקף את השינויים שנעשו כפי שנמצאו בקוד המקור של הפרויקט.

3. שינויים באים לידי ביטוי בזמן ריצה באתחול מחדש או בכוח.

יישום הסוג הראשון של אינטראקציה מאפשר להדגים את יכולות המוצר בצורה ברורה ויעילה למדי במצגות מסחריות, ולכן הוא מיושם לעיתים במוצרי התוכנה הסופיים. עם זאת, כאשר עובדים עם פרויקטים אמיתיים, קיימת סכנה פוטנציאלית של החמצת חלק מהממשק הגרפי או תנועה דינמית של פקדים. בהקשר זה, הסוג השני והשלישי של אינטראקציה או השילוב שלהם הם הנפוצים ביותר.

ניתן להבחין בין החלקים העיקריים הבאים של מערכת SCADA:

• בסיס תג;

• מודול תצוגה גרפית;

• מעבד סקריפט;

• מערכת אזעקה ואזהרה;

• מודול לארכיון פרמטרים של תהליך טכנולוגי.

תג מערכת SCADA הוא אובייקט לאחסון הערך של פרמטר תהליך טכנולוגי ותכונותיו. תוויות נקראות לפעמים בטעות "משתנים". יחד עם זאת, המושג תווית הוא הקרוב ביותר להגדרה של מחלקה בשפות תכנות מונחה עצמים.

מודול התצוגה הגרפית מיישם את הממשק הגרפי של הפרויקט. ככלל, ממשק גרפי הוא קבוצה של טפסי מסך עם אלמנטים גרפיים המוצבים עליהם. המשימה של יצירת מסך מצטמצמת להצבת אלמנטים גרפיים על צורות מסך וקביעת מאפיינים.

בתהליך הקריאה, הצגה וסגירת טפסי מסך, בעת לחיצה על אובייקטים גרפיים, שינוי מאפיינים או ערכים של תגים בודדים, יש צורך לבצע חישובים או פעולות שלגביהם יש מנוע סקריפט... סקריפטים נקראים גם "מאקרו" או "סקריפטים" במערכות מסוימות.

רוב תסריטי מערכת SCADA המיישמים את הממשק הגרפי של תחנות עבודה אוטומטיות של מפעילים הם מטפלים בלחיצת עכבר על אלמנטים גרפיים.

עבור סקריפטים, מערכות SCADA מיצרנים שונים מציעות שפה אחת או יותר. מערכות שפותחו על ידי יצרני בקרים או כחלק ממערכות תכנות מקצה לקצה מציעות בדרך כלל את אותן שפות תכנות לסקריפט כמו לכתיבה תוכנת בקר... מערכות SCADA של צד שלישי מציעות לעתים קרובות שפות סקריפטים מיוחדות של מאקרו.

שימוש בשפות תכנות למטרות כלליות מאפשר לך ליישם ממשקי משתמש מורכבים ושיטות עבודה לא סטנדרטיות עם נתונים על ידי גישה לספריות וממשקי API נוספים.

יחד עם זאת, המפתח חייב בכל מקרה ללמוד ספריות פונקציות לעבודה עם רכיבי מערכת SCADA, באותו אופן שבו לומדים שפות מאקרו, והקוד המיושם עלול להיות מסוכן או לרשת שגיאות מתפקוד צד שלישי ספריות .

מערכת אזעקה נועד להודיע ​​למפעיל על ערך פרמטר התהליך מחוץ לגבולות המותרים. ככלל, לכל פרמטר טכנולוגי ניתן להגדיר 2 סוגי הגדרות לפיהן תופיע ההודעה: בהתאמה, הגדרות חירום ואזהרה.

בהתאם ליכולות המערכת, הגדרות אלו נקבעות לפי קריטריון אחד או יותר:

• מחוץ לטווח. במקרה זה ישנם: ערכי אזהרה עליונים ותחתונים וערכי אזעקה עליונים ותחתונים.

• סטייה מהערך הנומינלי של ערך כלשהו. חלק את הסטיות המינימליות והמקסימליות המותרות מהערך שנקבע.

• הגדרת קצב השינוי המרבי המותר של ערך פרמטר התהליך. ערכים של הגדרות טווח מותרות מצוינים ביחידות מוחלטות, וניתן לציין סטייה מהנומינלי ומקצב השינוי הן ביחידות מוחלטות והן כאחוז מהערך הנוכחי או ההגדרה.

בשל העובדה שלתהליך טכנולוגי אחד מספר הפרמטרים עבורם מוגדרים נקודות חירום ואזהרה יכול להיות גדול, במערכות SCADA ניתן לשלב את הפרמטרים המבוקרים טכנולוגית לקבוצות, וכן לקבוע את רמת העדיפות לכל הגדר נקודה.

המשימה העיקרית מודול גיבוי - מתן יכולת להציג גרפים של פרמטרים טכנולוגיים (טרנדים) על מסך הצג לתקופה קצרה יחסית, כמו גם בניית דוחות פשוטים. המודול לארכיון הערכים של מערכת SCADA צריך לספק את הפונקציות הבאות:

• ארכיון ערכים במסד נתונים מקומי בתדירות או שינוי מסוים;

• בעת ארכיון ערכים עם שינוי - אפשרות להגדיר אזור מת לארכיון;

• הגדר מגבלת גודל של מסד נתונים מקומי;

• הגדרת הזמן לאחסון ערכים;

• לבצע תחזוקה שוטפת כדי להסיר ערכים מיושנים או מוקדמים ביותר כאשר חריגה מזמן האחסון או מגודל מסד הנתונים במצב אוטומטי;

• זמינות של ממשק לבניית גרפים של ערכי ארכיון וצפייה בהם;

• זמינות של מערכת לייצוא ערכי פרמטרים לתקופה שצוינה בצורה של טבלת ערכים.