Системи SCADA відіграють ключову роль у підтримці ефективності промислових підприємств, допомагаючи виявляти та усувати системні несправності для мінімізації простоїв, а також обробляти дані для прийняття обґрунтованих рішень.
Раніше багато промислових об’єктів, віддалених установок та виробничих цехів покладалися на ручне керування та моніторинг електричного обладнання за допомогою аналогових циферблатів і кнопок.
Зі зростанням віддалених об’єктів і промислових площ виникла потреба в удосконалених рішеннях для керування електрообладнанням на відстані. Деякі організації почали використовувати таймери та реле для покращення диспетчерського контролю.
Хоча таймери та реле вирішували певні проблеми, їх функціонал автоматизації був обмежений. Крім того, налаштування таймерів і реле було складним, а пульти управління та дефектоскопи займали багато місця, що призводило до нових проблем.
Для розв’язання цих питань було впроваджено технологію SCADA.
Розвиток програмованих логічних контролерів (ПЛК) та мікропроцесорів у поєднанні зі SCADA дозволив організаціям ефективніше відстежувати та контролювати автоматизовані процеси, ніж раніше.
У цій статті ми розглянемо SCADA, її застосування, функції, компоненти, типи та інші аспекти.
Розпочнімо!
Що таке SCADA?
Система диспетчерського контролю та збору даних (SCADA) – це програмне забезпечення, що дозволяє промисловим підприємствам контролювати свої виробничі процеси, збираючи дані з віддалених точок в режимі реального часу для відстеження стану обладнання. Вона надає широкий набір інструментів для впровадження рішень на основі даних в реальному часі.
SCADA є ключовою технологією для промислового моніторингу та управління з 1970-х років.
У кінці 1990-х – на початку 2000-х років системи SCADA зазнали змін, перейшовши до архітектури відкритих систем і протоколів зв’язку, що не залежать від виробника. Це стало можливим завдяки впровадженню таких технологій зв’язку, як Ethernet, які дозволили системам взаємодіяти з обладнанням різних постачальників, подолавши обмеження старих систем SCADA.
Сучасні системи SCADA забезпечують доступ до даних у реальному часі з будь-якої точки світу. Це дає можливість компаніям, окремим особам і урядам приймати більш обґрунтовані рішення щодо вдосконалення своїх процесів. Збір великих обсягів даних без програмного забезпечення SCADA був би неможливим.
Крім того, сучасне програмне забезпечення для розробки SCADA має можливості швидкої розробки додатків (RAD). Це дозволяє користувачам легко створювати додатки, навіть не маючи досвіду в розробці програмного забезпечення.
Впровадження сучасних ІТ-практик і стандартів, таких як веб-додатки та SQL, у програмне забезпечення SCADA покращило безпеку, надійність, продуктивність та ефективність систем SCADA.
Однією з важливих переваг використання баз даних SQL є спрощення інтеграції з системами ERP та MES, забезпечуючи безперебійний потік даних у межах всієї організації.
Таким чином, SCADA – це апаратний і програмний комплекс, який дає змогу промисловим підприємствам:
- Керувати промисловими процесами віддалено або локально.
- Моніторити, збирати та обробляти дані в реальному часі.
- Взаємодіяти безпосередньо з різними пристроями, такими як насоси, клапани, датчики, двигуни, через людино-машинний інтерфейс (HMI).
- Записувати всі події у файл журналу.
Архітектура SCADA зазвичай включає віддалені термінали (RTU) і програмовані логічні контролери (ПЛК). Ці мікрокомп’ютери взаємодіють з широким спектром обладнання, включаючи датчики, кінцеві пристрої, HMI та виробничі машини. RTU та ПЛК передають дані з об’єктів на комп’ютери, де використовується програмне забезпечення SCADA.
Програмне забезпечення SCADA обробляє, відображає та поширює дані, надаючи працівникам і операторам можливість аналізувати інформацію та приймати обґрунтовані рішення.
Наприклад, система SCADA може швидко попередити оператора про виявлення бракованої партії продукції. Оператор призупинить процес, перегляне системні дані через HMI та виявить причину проблеми. Аналізуючи інформацію, оператор може виявити, що “машина 4” не працює належним чином.
Таким чином, SCADA допомагає операторам швидко ідентифікувати проблему, оперативно її вирішити та запобігти подальшим збиткам.
Компоненти системи SCADA
Системи SCADA складаються з різних компонентів, які встановлюються на виробничих об’єктах для збору даних у реальному часі. Ці компоненти забезпечують збір даних і покращення промислової автоматизації.
Розглянемо детальніше кожен компонент.
#1. Датчики та виконавчі механізми
Датчик – це пристрій або система, яка виявляє вхідні сигнали промислових процесів. Виконавчий механізм (актуатор) – це пристрій, який керує механізмами виробничих процесів. Датчики виступають як вимірювачі або сенсори, що відображають стан машини.
Актуатори діють як регулятори, елементи керування або перемикачі, що використовуються для керування пристроями. Обидва типи пристроїв контролюються польовими контролерами SCADA.
#2. Польові контролери SCADA
Польові контролери безпосередньо взаємодіють з актуаторами та датчиками. Існує дві основні категорії:
- Віддалені блоки телеметрії (RTU) взаємодіють з датчиками для збору телеметричних даних і передачі їх до основної системи для подальших дій.
- Програмовані логічні контролери (ПЛК) взаємодіють з актуаторами для підтримки та контролю виробничих процесів на основі поточної телеметрії, зібраної RTU.
#3. Диспетчерські комп’ютери SCADA
Диспетчерські комп’ютери керують усіма процесами, пов’язаними зі SCADA. Вони використовуються для збору даних з польових пристроїв і надсилання команд на ці пристрої з метою керування промисловими процесами.
#4. Програмне забезпечення HMI
Це програмне забезпечення забезпечує інтерфейс, який дозволяє візуалізувати та відображати дані з польових пристроїв SCADA. Воно також дозволяє операторам розуміти та змінювати статус процесів, керованих SCADA.
#5. Комунікаційна інфраструктура
Комунікаційна інфраструктура забезпечує зв’язок між диспетчерськими системами SCADA, польовими контролерами та польовими пристроями. Завдяки цьому системи SCADA можуть збирати дані з польових пристроїв і керувати ними.
Функції систем SCADA
Системи SCADA мають спеціальні функції для конкретних застосувань або галузей, але більшість систем підтримує такі основні функції:
- Збір даних: це основна функція систем SCADA, де датчики збирають дані та передають їх польовим контролерам. Потім польові контролери передають ці дані на комп’ютери SCADA.
- Дистанційне керування: це здійснюється шляхом керування польовими актуаторами на основі даних, отриманих з датчиків.
- Мережевий обмін даними: підтримує всі функції SCADA. Дані, зібрані з датчиків, передаються до польових контролерів, які потім зв’язуються з диспетчерськими комп’ютерами. Команди дистанційного керування передаються назад на виконавчі механізми з диспетчерських комп’ютерів.
- Представлення даних: це здійснюється за допомогою HMI, які відображають поточні та історичні дані, необхідні операторам для роботи системи SCADA.
- Сигналізація: попереджає операторів про важливі події в системі SCADA. Можна налаштувати сповіщення для операторів, коли процеси заблоковані, деякі системи виходять з ладу або потрібні зміни в налаштуваннях.
- Дані в реальному часі та історичні дані: обидва типи даних є важливими для систем SCADA. Це дозволяє користувачам відстежувати ефективність поточних процесів у порівнянні з історичними тенденціями.
- Звітність: включає звіти про продуктивність процесу, стан системи та спеціалізовані звіти для конкретних цілей.
Принцип роботи SCADA
Системи SCADA виконують такі основні функції, як збір даних, передача даних, представлення інформації/даних та моніторинг/контроль. Ці функції реалізуються за допомогою компонентів SCADA, таких як датчики, RTU, контролери, комунікаційна мережа тощо.
Датчики використовуються для збору важливих даних, а RTU передають ці дані контролеру для відображення стану системи. На основі отриманого статусу користувач може віддавати команди іншим компонентам для виконання своїх функцій. Цю функцію виконує комунікаційна мережа.
Далі детально розглянемо кожну з функцій для розуміння принципу роботи систем SCADA.
Збір даних
Системи SCADA в реальному часі включають численні датчики та компоненти для збору інформації та передачі даних для подальшої обробки.
Наприклад, датчики можуть вимірювати потік води з резервуара в інший резервуар, а інші датчики – тиск води при випуску з резервуара. Датчики отримують різноманітні дані, щоб відстежувати хід всіх процесів.
Передача даних
Системи SCADA використовують дротові мережі для збору та передачі даних між користувачами та пристроями. Системи SCADA в реальному часі використовують компоненти та датчики, якими можна керувати віддалено. Також може застосовуватись інтернет-з’єднання. Оскільки реле та датчики не можуть безпосередньо обмінюватися даними, RTU використовуються для забезпечення зв’язку між мережевими інтерфейсами та датчиками.
Представлення даних
Звичайні мережі використовують індикатори для контролю, що є видимими. У системах SCADA реального часу існує велика кількість сигналів тривоги та датчиків, що унеможливлює їх одночасний контроль. Система SCADA використовує HMI для відображення всіх даних, отриманих від різних датчиків.
Моніторинг і контроль
Системи SCADA використовують перемикачі для управління пристроями та відображення стану контрольованої зони. Будь-яку частину обладнання можна вмикати/вимикати з керуючої станції за допомогою цих перемикачів. Програмне забезпечення SCADA налаштоване для автоматичної роботи без втручання людини, окрім критичних ситуацій.
Типи SCADA
Системи SCADA поділяються на чотири типи: монолітні, розподілені, мережеві та системи SCADA IoT.
#1. Монолітні системи SCADA
Системи SCADA раннього, або першого покоління, відомі як монолітні системи SCADA. У них використовуються міні-ЕОМ. Розробка монолітних систем SCADA може здійснюватись у випадках, коли немає доступу до загальної мережевої служби. Конструкція такої системи подібна до автономної, тобто не потребує зв’язку з іншими системами.
Дані можна збирати з RTU за допомогою резервного мейнфрейму. Основна функція систем першого покоління обмежується відстеженням процесів та моніторингом датчиків.
#2. Розподілені системи SCADA
Розподілені системи SCADA також називаються системами другого покоління. У них функції управління розподіляються між різними системами за допомогою локальної мережі. Керування здійснюється шляхом обробки команд і обміну даними в реальному часі.
У такій системі вартість і розмір кожної станції зменшені, проте немає узгоджених мережевих протоколів.
#3. Мережеві системи SCADA
Мережеві системи SCADA – це системи третього покоління. Зв’язок у сучасних системах SCADA відбувається через WAN, з використанням телефонних ліній або ліній передачі даних.
Передача даних між вузлами здійснюється за допомогою оптоволоконних з’єднань або Ethernet. В таких системах використовуються ПЛК для налаштування, моніторингу та управління процесами при необхідності.
#4. Системи IoT SCADA
Системи IoT SCADA – це системи четвертого покоління. Тут витрати на інфраструктуру мінімізуються завдяки впровадженню IoT з використанням хмарних обчислень. Інтегрувати та підтримувати ці системи легше, ніж інші.
У системах реального часу інформація про стан компонентів або пристроїв легко передається через хмарні обчислення.
Переваги SCADA
Переваги систем SCADA:
- Масштабованість: сучасні системи SCADA є масштабованими завдяки кращій доступності програмного та апаратного забезпечення, використанню хмарних обчислень для задоволення потреб у обчислювальних ресурсах тощо.
- Сумісність: сучасні системи SCADA не покладаються на власне програмне та апаратне забезпечення, що зменшує залежність від конкретного постачальника.
- Зв’язок: SCADA підтримує сучасні протоколи зв’язку, які забезпечують ширший доступ до елементів управління та даних.
- Підтримка: сучасні системи SCADA мають хорошу підтримку від постачальників. Використання відкритих мережевих стандартів, сучасних платформ розробки програмного забезпечення та готового обладнання робить доступнішими сторонніх постачальників.
Обмеження SCADA
Деякі обмеження систем SCADA:
- Складність апаратних блоків та залежність від модулів.
- Потреба у кваліфікованих програмістах, операторах та аналітиках для обслуговування.
- Висока вартість встановлення.
- Можливість збільшення рівня безробіття через автоматизацію.
Застосування SCADA
SCADA широко використовується в промисловості для управління та автоматизації виробничих процесів, які стають занадто складними для ручного управління та моніторингу.
SCADA особливо корисна для процесів, що потребують віддаленого контролю та керування, особливо коли є можливості мінімізувати відходи та підвищити ефективність.
Поширені промислові приклади застосування SCADA:
- Операції з переробки нафти та газу.
- Виробництво та розподіл електроенергії.
- Хімічне виробництво.
- Телекомунікаційна інфраструктура.
- Виробництво та пов’язані процеси.
- Транспортна та судноплавна інфраструктура.
- Комунальна інфраструктура, наприклад контроль за водопостачанням та відходами.
- Обробка харчових продуктів і напоїв.
Завдяки SCADA ці процеси можна ретельно відстежувати та контролювати для підвищення продуктивності. Ефективні системи SCADA сприяють значній економії коштів і часу.
Сучасні приклади використання SCADA включають: технічне обслуговування систем охолодження, забезпечення безпеки на нафтопереробних заводах, контроль якості на очисних спорудах, відстеження споживання енергії вдома тощо.
Як впровадити рішення SCADA
Основні кроки для впровадження системи SCADA:
- Чітко визначте, що ви хочете контролювати та розумійте це.
- Визначте, які дані ви хочете збирати та яким чином.
- Додайте шлюзи для підключення до точок збору даних.
- Створіть точки збору даних, за необхідності.
- Централізуйте дані в потрібному місці моніторингу.
- Відобразіть дані у програмному забезпеченні SCADA.
- Додайте візуалізацію елементів керування та процесів даних.
- Визначте правила та автоматизацію.
Після завершення цих кроків програмне забезпечення SCADA візьме на себе решту процесів. SCADA допоможе взаємодіяти з об’єктами, повідомляти про проблеми, інформувати про прогнозне технічне обслуговування та забезпечити контроль над обладнанням.
Висновок
SCADA є ефективним інструментом для моніторингу та управління промисловими процесами, а також для виявлення та повідомлення про системні несправності для їх оперативного усунення. Замість ручного управління або значних витрат часу та грошей, ви можете автоматизувати ці процеси за допомогою системи SCADA.
Впровадження SCADA завжди має чіткі цілі. Тому, якщо ви плануєте використовувати SCADA у своїй компанії, визначте свої потреби та автоматизуйте процеси відповідно.