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.

  1. 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.

  1. 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].

  1. 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

  1. Boyer, Stuart A. (2010). SCADA Supervisory Control and Data Acquisition. USA: ISA - International Society of Automation. p. 179. ISBN 978-1-936007-09-7.
  2. Jeff Hieb (2008). Security Hardened Remote Terminal Units for SCADA Networks. University of Louisville.
  3. Abbas, H.A. (2014). Future SCADA challenges and the promising solution: the agent-based SCADA. IJCIS, 10, 307-333.
  4. "Introduction to Industrial Control Networks". IEEE Communications Surveys and Tutorials. 2012
  5. 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.
  6. 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
  7. 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
  8. 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