УДК 62
Обзор архитектуры SCADA-систем и их области применения
Хрушков Артем Евгеньевич – аспирант Уральского федерального университета.
Базаров Георгий Давидович – ассистент Уральского федерального университета.
Аннотация: Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) представляют собой основополагающий элемент в современных промышленных процессах, обеспечивая эффективный мониторинг и контроль различных инфраструктурных операций. Настоящая научная статья проводит детальное исследование SCADA, раскрывая ее фундаментальные концепции, архитектурные компоненты и широкий спектр областей применения. Систематическое рассмотрение архитектуры SCADA и охваченных ею областей применения предполагает более глубокое осмысление ключевой роли, которую SCADA играет в современных промышленных ландшафтах.
Ключевые слова: SCADA-система, протоколы передачи данных, мониторинг, управление, архитектура, решения.
Введение
В динамической области промышленной автоматизации системы SCADA выступают в роли ключевых инструментов, устраняющих разрыв между централизованным управлением и децентрализованными процессамих[1]. В настоящей статье предпринимается попытка детального анализа сущности SCADA, путем глубокого изучения ее архитектуры и рассмотрения многочисленных возможностей, охватываемых этой системой. В ходе изложения статьи освещаются SCADA-системы, их архитектура, а также области применения в современном промышленном контексте.
- Архитектура
Архитектура SCADA-систем представляет собой сложные технологические конструкции, интегрирующие различные компоненты, каждый из которых выполняет свои уникальные функции. В настоящем разделе более детально рассматриваются ключевые элементы архитектуры SCADA и их роли в обеспечении эффективного мониторинга и управления процессами.
- Человеко-Машинный Интерфейс(HMI)
HMI представляет интерфейс оператора и SCADA-системы, визуализируя данные в реальном времени. Графические элементы, такие как диаграммы и схемы, предоставляют интуитивно понятный способ взаимодействия с системой, обеспечивая оператору информацию о текущем состоянии процессов.
1.1.2 Передатчик данных
RTU, расположенный на удаленном объекте, собирает данные от сенсоров и управляет исполнительными устройствами. Он осуществляет сбор, фильтрацию и обработку данных перед передачей в центральную систему[3].
1.1.3 Программируемый Логический Контроллер
PLC является ключевым элементом в управлении процессами, предоставляя логику управления, реагируя на изменения в окружающей среде. PLC обеспечивает связь между HMI и исполнительными механизмами, обеспечивая согласованность и эффективность в работе SCADA-системы.
1.1.4 Коммуникационная Инфраструктура
Коммуникационная инфраструктура играет ключевую роль в передаче данных между компонентами SCADA. Включает в себя технологии передачи данных, протоколы связи, сетевые стандарты и средства обеспечения безопасности. Качественная коммуникация обеспечивает надежность и эффективность системы.
1.2 Взаимодействие и Общие Принципы Функционирования
Взаимодействие компонентов SCADA представляет собой ключевой аспект, обеспечивающий эффективность системы. Компоненты взаимодействуют синергетически, обеспечивая непрерывный мониторинг и управление процессами. Основные принципы функционирования включают:
1.2.1 Сбор данных и Трансляция
RTU собирает данные от сенсоров и устройств, передавая информацию в центральную систему. PLC обрабатывает данные, принимая решения в соответствии с заданной логикой и параметрами[5].
1.2.2 Передача и Прием данных
Коммуникационная инфраструктура обеспечивает передачу данных между RTU, PLC и HMI с использованием стандартизированных протоколов, обеспечивая целостность и достоверность информации[5].
1.2.3 Отображение и Управление
HMI получает данные от RTU и PLC, предоставляя оператору интуитивный интерфейс для визуализации и управления процессами. Оператор влияет на процессы, используя элементы управления HMI[5]. Эти взаимосвязи обеспечивают координацию в работе SCADA-системы, делая ее эффективным инструментом контроля и управления промышленными процессами. В последующих разделах будут рассмотрены протоколы передачи данных, стандарты безопасности и конкретные успешные реализации SCADA-систем.
- Протоколы передачи данных в SCADA-системах
Протоколы передачи данных занимают центральное место в обеспечении эффективной коммуникации между компонентами SCADA-системы. В данном разделе анализируются два широко распространенных протокола: Modbus и IEC 60870-5.
Modbus представляет собой открытый промышленный протокол, спроектированный для обмена данными между электронными устройствами. Этот протокол широко применяется в SCADA-системах для взаимодействия с различными устройствами, такими как PLC, датчики и исполнительные устройства. Его простота и открытость обеспечивают легкую интеграцию и поддержку со стороны многих производителей оборудования[4].
IEC 60870-5 представляет собой набор стандартов, охватывающих протоколы передачи данных для систем контроля и управления в электроэнергетике. Этот протокол стандартизирует обмен данными между различными устройствами и системами в электроэнергетических сетях[4].
- Область применения SCADA-систем
Область применения SCADA-систем включает различные отрасли, где ключевую роль играют мониторинг, управление и автоматизация процессов. Приведены примеры применения в следующих сферах:
Электроэнергетика: Мониторинг и управление генерацией, передачей и распределением электроэнергии для обеспечения стабильности и надежности энергосистем. Пример – управление потоком электроэнергии в национальной энергосети.
Автоматизация производства: Оптимизация производственных процессов, управление оборудованием для повышения эффективности. Пример – регулирование линий сборки в автомобильном производстве.
Водоочистные сооружения: Мониторинг качества воды, регулирование дозировки химикатов и управление распределением очищенной воды. Пример – контроль работы насосов и клапанов на водоочистной станции.
Управление трубопроводами: Мониторинг и управление нефтегазовыми трубопроводами для безопасного и эффективного транспорта жидкостей. Пример – управление потоком нефти через трубопровод, выявление утечек или неисправностей.
Управление движением: Оптимизация движения транспорта, мониторинг и управление светофорами на основе данных в реальном времени. Пример – системы интеллектуального управления транспортом в городах.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК): Управление системами ОВК для обеспечения комфортного и энергоэффективного окружения.
Управление сетями: Мониторинг и управление телекоммуникационными сетями для оптимизации производительности и управления инфраструктурой связи[6].
Ветряные и солнечные электростанции: Мониторинг и управление возобновляемыми источниками энергии. Пример – управление работой ветрогенераторов в ветряной ферме.
Мониторинг качества воздуха: Измерение и контроль параметров качества воздуха, особенно в случаях, когда поддержание соблюдения экологических норм критично.
Операции пивоваренных заводов: Мониторинг и управление процессами варки для обеспечения стабильности и качества.
Управление производством: Мониторинг и управление процессами с целью поддержания высоких стандартов качества.
Управление медицинскими учреждениями: Мониторинг и управление различными системами в медицинских учреждениях, включая ОВК, освещение и безопасность.
Управление процессами в металлургии:
Добыча и подготовка сырья - SCADA системы используются для контроля и управления процессами добычи и подготовки сырья, таких как добыча руды, обогащение руды и плавка концентрата[7][8].
Производство стали - SCADA системы используются для контроля и управления процессами производства стали, такими как доменные процессы, мартеновские процессы, конвертерные процессы и электросталеплавильные процессы.
Производство цветных металлов - SCADA системы используются для контроля и управления процессами производства цветных металлов, таких как выплавка меди, выплавка алюминия и выплавка цинка.
Обработка металлов - SCADA системы используются для контроля и управления процессами обработки металлов, такими как прокатка, штамповка и сварка[9].
SCADA - системы в каждой из этих областей предоставляют данные в реальном времени, улучшая возможности управления и способствуя повышению эффективности, безопасности и надежности в сложных и ответственных процессах. Гибкость SCADA делает ее универсальным решением для различных отраслей промышленности.
Заключение
Рассмотрены ключевые аспекты SCADA-технологий: архитектура, протоколы, области применения. Важность интеграции компонентов (HMI, RTU, PLC) для эффективного мониторинга и управления выделена. Протоколы передачи данных (Modbus, DNP3, IEC 60870-5) предоставляют гибкий инструментарий. Области применения в энергетике, производстве, транспорте подчеркивают универсальность SCADA. SCADA играют ключевую роль в повышении эффективности и надежности промышленных процессов. Прогнозируется развитие в контексте IoT, ИИ и облачных вычислений, улучшающих сбор и анализ данных, гибкость и масштабируемость систем. В заключении, SCADA-технологии продолжают быть центром индустриальной революции, обеспечивая стабильность в эволюционирующих глобальных промышленных системах.
Список литературы
- Boyer, Stuart A. (2010). SCADA Supervisory Control and Data Acquisition. USA: ISA - International Society of Automation. p. 179. ISBN 978-1-936007-09-7.
- Jeff Hieb (2008). Security Hardened Remote Terminal Units for SCADA Networks. University of Louisville.
- Abbas, H.A. (2014). Future SCADA challenges and the promising solution: the agent-based SCADA. IJCIS, 10, 307-333.
- "Introduction to Industrial Control Networks". IEEE Communications Surveys and Tutorials. 2012
- KEMA, Inc (November 2006). "Substation Communications: Enabler of Automation". Utilities Telecom Council. pp. 3–21. Archived from the original on 3 November 2007. Retrieved 19 January 2022.
- Aksyonov, K., & Antonova, A. (2022). Development of an Automated System for Analysis, Modeling, and Decision-Making for Metallurgical Enterprise. В Bratan, & S. Roshchupkin (Ред.), International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment 2021, ICMTMTE 2021 [050028] (AIP Conference Proceedings; Том 2503). American Institute of Physics Inc.. https://doi.org/10.1063/5.0100034
- Antonova A.S., Aksyonov K.A., Aksyonova O.P. An imitation and heuristic method for scheduling with subcontracted resources. Mathematics 2021, 9(17), 2098; DOI: 10.3390/math9172098 https://doi.org/10.3390/math9172098
- Antonova A.S., Aksyonov K.A. (2020). Development of simulation model of continuous casting machine with dry change of steel ladles. In T. Simos, & C. Tsitouras (Ed.), International Conference on Numerical Analysis and Applied Mathematics, ICNAAM 2019 [140004] (AIP Conference Proceedings; Vol. 2293). American Institute of Physics Inc.. WOS: 000636709500413; https://doi.org/10.1063/5.0027487