Архітектурні рішення та інтеграція

Одиночна архітектура

У найбільш простому випадку системи на базі SCADA/HMI мають одиночну архітектуру, де на одному комп’ютері суміщені підсистема збирання даних з контролерів і АРМ оператора. Наприклад, на рис.34 Server PC, який збирає дані з контролерів Pasteurizer#1..n, є також робочою станцією оператора, тобто виконує функції людино-машинного інтерфейсу (HMI клієнта). У цьому випадку системою не передбачається інтеграція з зовнішніми по відношенню до неї підсистемами інших станцій SCADA/HMI. Такі системи порівняно прості в побудові, однак мають ряд недоліків:

• передбачається тільки одне робоче місце оператора, тобто весь персонал, що бере участь в управлінні чи експлуатації,  може працювати тільки через один термінал;
• відсутність резервування робить систему нестійкою до збоїв різного типу, тобто при неполадках у мережі чи в складових робочої станції, втрачається зв’язок з процесом (однак система управління на рівні контролерів надалі функціонує);
• значне навантаження на один комп’ютер не дає можливості побудувати великі системи;
• відсутність інтеграції з рівнем управління виробництвом не дає можливості повністю оцінити ефективність роботи процесу.

Рис. 34. Одиночна архітектура

Клієнт-серверна архітектура

Для можливості доступу до управління або тільки для контролю з декількох робочих місць багато розробників засобів SCADA/HMI пропонують клієнт-серверну архітектуру (рис.35), в якій на сервер покладається задача збирання даних (а також архівування, контроль за тривогами та ін.), а клієнтська частина (тобто людино-машинний інтерфейс) реалізується на окремих комп’ютерах.

Рис. 35. Клієнт-серверна архітектура.

Клієнт (HMI клієнт, Client) – це програма, яка реалізує людино-машинний інтерфейс доступу до даних на сервері (зокрема через мережу). Сервер (SCADA сервер, Server) – це програма, яка надає доступ до своїх даних клієнтам (зокрема через мережу) та реалізує одну або всі функції: збирання даних, їх оброблення, архівування, формування алармів та ін. Іншими словами, сервери реалізують функції SCADA, однак без людино-машинного інтерфейсу, а клієнти – тільки функції людино-машинного інтерфейсу (графічної підсистеми). Як правило, на комп’ютерах з програмою сервера виконуються і програми клієнтів. Слід розуміти, що клієнти і сервери у більшості випадків спілкуються між собою з використанням спеціалізованих протоколів, тобто поєднання складових від різних програм SCADA можливе тільки за певних обставин, наприклад використовуючи технології ОРС.

Мультисерверна архітектура та резервування

При великій кількості джерел даних (контролерів) може використовуватись мультисерверна архітектура (рис.36). У таких системах кожний сервер збирає дані в окремої групи пристроїв, а клієнт (клієнти) мають доступ до всіх даних серверів. У деяких SCADA-програмах можна виділити окремі комп’ютери для серверів збирання даних, серверів трендів, серверів тривог, серверів звітів, що дає змогу розподіляти ресурси між декількома апаратними засобами.

Рис. 36. Мультисерверна архітектура

Якщо технологічний процес функціонально небезпечний або втрата даних може призвести до створення аварійних ситуацій, необхідно використовувати архітектури з резервуванням (рис.37). У таких системах основний сервер (Server PC) дублюється резервним (RServer PC), який виконує всі ті самі функції, окрім запису даних на контролери. Резервний сервер контролює працездатність основного, і у випадку виходу його з ладу починає виконувати всі його функції, в тому числі й спілкування з клієнтами та запис даних на контролер.

Рис. 37. Архітектура з резервуванням

Сучасні SCADA/HMI надають можливість доступу до системи через Internet або локальну мережу, використовуючи WEB-браузер. На відміну від HMI клієнтів, які використовують для зв’язку з серверами SCADA спеціалізовані протоколи, WEB клієнти з’єднуються з технологічним процесом через WEB-сервіси. Тобто вони використовують ті самі технології, що й при доступі звичайного браузера (наприклад, Internet Explorer) до якогось сайту в мережі Інтернет. Це має ряд переваг, зокрема:

• на відміну від протоколів обміну між HMI та SCADA, WEB-технології прозорі для комунікаційного обладнання (маршрутизатори, брандмауери, шлюзи та ін.), що дає змогу з’єднуватися через Інтернет;
• у багатьох випадках можуть використовуватися будь-які браузери, в тому числі на планшетах та мобільних телефонах;
• підвищена мобільність клієнтів, оскільки Інтернет доступний на великій території.

Internet-доступ

На рис.38 показано приклад архітектури з доступом через WEB. Для роботи такої системи необхідний запуск служб WEB-сервера, які потребують окремого комп’ютера. WEB-сервер конвертує дані, які зчитує/записує зі SCADA-серверів та передає їх WEB-клієнтам через локальну мережу підприємства або через Інтернет.

Рис. 38. Архітектура з доступом через WEB

Не дивлячись на привабливість WEB-доступу, слід розуміти деякі обмеження та передбачити потенційну небезпеку несанкціонованого доступу, зокрема:

• функція WEB-доступу, як правило, ліцензується окремо, тобто потребує додаткової оплати;
• як правило, через WEB-клієнт доступні не всі функції, які доступні через HMI клієнт;
• ряд систем працюють тільки через обмежений перелік браузерів і потребують інсталювання додаткових програм на комп’ютер WEB клієнта;
• перед організацією доступу через Інтернет слід подбати про неможливість несанкціонованого доступу (кібербезпеку), щоб зловмисник не зміг втрутитися в процес управління;
• бажано не надавати доступу до управління, а тільки для перегляду.

Інтеграція з іншими рівнями управління

Вище ми навели різні архітектури систем на базі SCADA/HMI, де робочі станції (клієнти) і сервери взаємодіють між собою, обмінюючись даними процесу для відображення, диспетчерського управління, архівування та формування алармів. Такий обмін відбувається на одному рівні диспетчерського управління (SCADA), тому його прийнято називати горизонтальною інтеграцією. Однак засоби SCADA/HMI не функціонують самі по собі і повинні взаємодіяти з іншими рівнями управління. Архітектуру управління підприємством прийнято показувати у вигляді піраміди (рис.39), де засоби SCADA/HMI займають 3-й рівень. Вони взаємодіють з процесом через контролери (PLC), які в свою чергу можуть бути поєднані між собою промисловими мережами. Обмін SCADA/HMI з контролерами проходить у м’якому реальному часі, тобто коли запізнення оновлення даних не критичне, а між контролерами – в жорсткому реальному часі, коли дані повинні надходити в чітко визначені проміжки часу. У свою чергу, промислові контролери взаємодіють з технологічним процесом через датчики та виконавчі механізми, які можуть підключатися з використанням уніфікованих сигналів або промислових мереж рівня датчиків.

Рис. 39. Типова архітектура управління підприємством

Як видно з рис.39, у сучасних системах управління підприємством рівень SCADA/HMI не є найвищим. Для ефективного управління всім виробництвом на сучасних підприємствах використовують системи MES (Manufacturing Execution System), де збираються і обробляються дані всього виробництва, проводиться їх аналітичний аналіз з використанням статистичних методів, проводиться аналіз якості продуктів та напівпродуктів відповідно до лабораторних показників, готуються виробничі звіти, виконується оперативне планування виробництва, відповідно до чого формуються завдання для технологічних процесів. Грамотна побудова таких систем дає колосальні економічні ефекти. На сьогоднішній день MES розробляються з використанням спеціальних програм, наприклад:

• Wonderware MES Software 2012 (Wonderware, США);
• Proficy Plant Applications (GE, США);
• SAP ME (SAP, Німеччина);
• Simatic IT Production Suite (Siemens, Німеччина);
• Ampla (Schneider Electric, Франція);
• PI System (OSIsoft, США);
• Collaborative Production Management – CPM (ABB, Швеція/Швейцарія).

У свою чергу, системи MES взаємодіють з ERP (Enterprise Resource Planning), призначення яких – автоматизація бізнес-процесів, організаційно-економічної діяльності, документообігу. З рівня MES в ERP-системи передаються узагальнені виробничі показники, наприклад, сумарні/середні витрати за певний період часу, питомі значення, інтегровані показники ефективності, які стосуються саме виробничої діяльності підприємства.

Слід відмітити, що сучасні автоматизовані системи управління інтегруються з використанням стандарту ISA-95, де рівень MES прийнято називати MOM (Manufacturing Operation Management). До функцій рівня MOM окрім виробництва відносять управління активами (технологічне обслуговування та ремонт обладнання), управління запасами та менеджмент якості. У будь якому випадку, SCADA виступає як правило джерелом даних для MES/MOM.