Введение в «интеллектуальные» SCADA-системы для построения АСУТП трубопроводных систем

Известно, что решения человек принимал всегда. Но при управлении экологически опасными технологическими объектами, сложность которых все время возрастает, его способности оказались недостаточными, в том числе и для обработки все увеличивающихся потоков входной информации. Результат такого управления - возрастание чиcла инцидентов, аварий и катастроф. Выходом из создавшегося положения является передача большей части функций обработки информации от человека-оператора к средствам автоматизации, т.е. усиление интеллектуальных способностей действующих и проектируемых систем управления. Вопросам интеллектуализации систем управленияи посвящена настоящая статья.

Роль и место SCADA-систем на рынке АСУТП

На рынке инструментальных систем для мониторинга и управления процессами в реальном времени широкое применение нашли программные продукты, объединенные названием SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition). Их можно разделить на две группы по признаку использования методов искусственного интеллекта для решения задач поддержки принятия решений оператором сложного объекта контроля и управления. В первую группу входят SCADA-системы, реализующие традиционные функции мониторинга и управления процессами:

• ведение базы данных реального времени;
• выполнение расчетов;
• графическое представление данных и параметров в виде мнемосхем, графиков, диаграмм и т.д.;
• предупредительная сигнализация;
• архивирование информации;
• генерирование отчетов.

Типичными представителями являются продукты: RTAP/Plus (Hewlett Packard), Monitrol\UX (Hilco), PMIS (Bradley-Ward), Simplicity (GE Fanuc), FactoryLink (US Data), SetCim (Setpoint), MAIP/CCA (Mainstream), WinCC (Simens).

Вторую группу составляют SCADA-системы, использующие методы обработки и представления информации, основанные на знаниях. Они стали называться интеллектуальными SCADA-системами. В функции таких систем входит интеллектуальная информационная поддержка человека-оператора при управлении процессами. К числу этих функций относятся:

• ситуационный анализ состояния объекта контроля и управления;
• оперативный поиск действий оператора-управленца при возникновении аномальных и критических ситуаций;
• диагностика состояния технологического оборудования;
• диагностика состояния технологического процесса;
• логический анализ событий;
• логический анализ аномальных ситуаций;
• прогноз поведения процесса во времени и другие;
• защита от несанкционированных технологическим регламентом действий оперативного персонала;
• ведение баз данных и знаний реального времени;
• ведение гипертекстовых баз эксплуатационных и регламентных знаний.

Наиболее известными представителями такого класса систем являются системы G2 (Gensym, США), «СПРИНТ-РВ» (Россия), включающие в себя как инструментальные средства проектирования и тестирования моделей предметной области, так и средства интеллектуальной информационной поддержки принятия решений реального времени.

Системы первой и второй группы могут дополнять друг друга и применяться совместно. Однако, если системы первого типа - это базис современных систем управления, то системы, основанные на знаниях, используются пока не часто. Это объясняется многими причинами. Наиболее  важными будем считать две:

• во-первых, технология создания систем, основанных на знаниях, недостаточно формализована, требует привлечения высококвалифицированных специалистов по инженерии, знаний и дорогостоящих экспертов, что, в конечном счете, приводит к значительным финансовым и временным затратам. Поэтому системы этого класса создаются только тогда, когда их применение сулит очень крупные материальные выгоды;
• во-вторых, системы, основанные на знаниях, разрабатываются, в основном, как системы, модель знаний которых не может быть полной, что не всегда позволяет включать их в состав основных средств мониторинга и управления. Они используются как информационно-консультирующие средства.

Обе эти причины могут быть преодолены только одним способом - традиционные функции мониторинга/ управления и методы систем, основанных на знаниях, должны создаваться по единой высокоавтоматизированной технологии и составлять единое целое. Такую интегрированную технологию обеспечивает система «СПРИНТ-РВ», которая реализует как традиционные функции мониторинга/управления, так и интеллектуальные технологии оперативной поддержки принятия решений.

Архитектура интеллектуальной SCADA-системы «СПРИНТ-РВ»

Интеллектуальная SCADA «СПРИНТ-РВ» представляет собой распределенный комплекс программ, реализованный по клиент-серверной технологии. Типовая архитектура технических средств АСУ ТП, для которых используется «СПРИНТ-РВ», представлена на рис.1.

Рис.1

Функции, используемые на клиентах верхнего уровня и серверах, приведены на рис. 2.

Рис. 2

Интеллектуальная информационная поддержка оператора реализуется средствами многооконного операторского интерфейса (рис. 3).

Рис. 3. Интерфейс для диспетчера

Многооконный операторский интерфейс поддерживается следующими функциями:

• Функция отображения оперативной информации в виде мнемосхем (рис. 4)

Рис. 4. Мнемосхема магистрального насосного агрегата

• Функция отображения панели сигнализации отклонений технологических переменных на мнемосхемах и данных результатов оперативной диагностики состояния технологического оборудования (рис. 5)

Рис. 5. Панели сигнализации для нефтепроводных систем, для атомных и тепловых электростанций

• Функция образного представления состояния технологии в виде когнитивных образов (рис. 6а, 6б)

Рис. 6а. Когнитивное представление нефтепроводной системы

Рис. 6б. Когнитивное представление критических функций безопасности для атомных и тепловых электростанций

Область когнитивного образа критических функций безопасности располагается в правой нижней области экрана и может представлять собой круговую диаграмму, каждый сектор которой связан с конкретной функцией безопасности. Пока управляемый объект работает без отклонений, круговая диаграмма представляет собой ровный зеленый круг. Как только сработала какая-нибудь функция безопасности, соответствующий сектор начинает менять цвет. При нажатии левой клавишей мыши на этот сектор оператор имеет возможность вызвать дерево отказов в область мнемосхем и проанализировать причину срабатывания критической функции безопасности.

Глобус «Башлыкова» представлен на рис 6б. Он представляет собой визуальный когнитивный образ зоны атомного реактора.

• Функция гипертекстовой поддержки оперативного персонала
• Функции отображения оперативной информации в различных графических представлениях (рис. 7)

Рис. 7. Графики

• Функция отображения архивной информации в виде графиков
• Функция отображения результатов оперативной диагностики состояния технологического оборудования по данным штатной системы измерений  (рис. 8)

Рис. 8. Представление результатов оперативной диагностики состояния оборудования атомной станции

• Функция отображения расширенной и сокращенной справок по технологическим переменным
• Функция отображения журнала событий.

На инженерных станциях устанавливается прикладное программное обеспечение «СПРИНТ-КОНСТРУКТОР», входящее в состав интеллектуальной SCADA системы «СПРИНТ-РВ» и предназначенное для обеспечения процесса автоматизированного проектирования АСУ ТП от определения архитектуры технических средств до создания инсталляционных пакетов, предназначенных для внедрения на ТОУ.

Технология построения систем информационной поддержки оператора в АСУ ТП сложными энергетическими объектами на базе интеллектуальной SCADA системы - «СПРИНТ-РВ»

Интеллектуальная SCADA-система «СПРИНТ-РВ» включает в свой набор программных инструментов для проектирования систем информационной поддержки операторов АСУ ТП. Технология построения систем информационной поддержки основана на выполнении последовательности шагов, определяющих процесс проектирования от технического задания на проектирование АСУ ТП до внедрения на ТОУ. Она приведена на рис. 9.

Рис. 9. Технология проектирования

При проектировании АСУ ТП на базе интеллектуальной SCADA системы «СПРИНТ-РВ» программное и информационное обеспечения, устанавливаемые на технических средствах, объединяются в рабочее пространство, которое не только содержит всю необходимую для работы информацию и программные модули, реализующие соответствующие функции АСУ ТП, но и определяет связи между ними. Диаграмма проектирования рабочего пространства приведена на рис. 10.

Рис. 10. Технология применения «СПРИНТ-РВ»

Проектирование начинается с формирования архитектуры технических средств АСУ ТП: баз данных, знаний и пользовательских функций, возлагаемых на сервера, АРМы и инженерные станции. Состав технических средств напрямую зависит от задачи автоматизации, сложности ТОУ и задается на основании технического задания на проектирование. Тип технического средства, сервер, АРМ или инженерная станция, в первую очередь, определяется местом установки и используемым программным обеспечением, поэтому при определении типа технического средства на него накладывается ограничение по используемым функциям.

На втором шаге проектирования согласно техническим требованиям, предъявляемым к АСУ ТП, определяются функции, устанавливаемые на технических средствах, выбираемые из состава «СПРИНТ-РВ». Функции предназначены не только для отображения информации, но и для выполнения обработки, и передачи информации, и выполнения других вспомогательных действий, и ряд из них требует информационное обеспечение, представляемое в виде информационных проектов, входящих в состав рабочего пространства.

Информационные проекты добавляются в рабочее пространство автоматически при определении на техническом средстве новой функции. Таким образом, после завершения процесса проектирования архитектуры (технических средств и функций) необходимо наполнить содержимое информационного обеспечения (информационных проектов). Редактирование информационных проектов (добавление и наполнение входящих в них документов) осуществляется при помощи соответствующих конструкторов (база знаний - ДИЭКС, база мнемосхем - КОГРА, база данных - конструктор базы данных и т.п.).

После завершения проектирования архитектуры АСУ ТП и информационного обеспечения, перед внедрением АСУ ТП на ТОУ необходимо выполнить верификацию рабочего пространства, которая предназначена для определения возможных ошибок, допущенных при проектировании. И в случае успешного проведения верификации и подготовки инсталляционных пакетов, что является завершением процесса проектирования, согласно технологии проектирования, необходимо установить созданное программное и информационное обеспечение для проведения приемосдаточных испытаний и внедрения.

Интерфейс конструктора состоит из трех окон (рис. 11): строки меню конструктора, окна рабочего пространства и окна с конструктором информационного обеспечения.

Рис. 11. Интерфейс разработчика информационного обеспечения

Строка меню предназначена для управления процессом проектирования архитектуры АСУ ТП и создания информационного обеспечения, она содержит элементы для управления процессом создания и редактирования элементов рабочего пространства, работы с проектной базой данных, верификации информационного обеспечения и создания инсталляционных пакетов, необходимых для внедрения разрабатываемой АСУ ТП на ТОУ.

Окно рабочего пространства предназначено для работы в двух режимах: режим «Архитектура технических средств» и режим «Архитектура информационных средств». При работе в режиме «Архитектура технических средств» определяются технические средства АСУ ТП и указываются функции, используемые на них. Для редактирования информационных проектов, необходимых для работы функций (создание или импорт документов), а также для изменения настроек функций, определяющих их работу, используется режим работы «Архитектура информационных средств».

Окно конструктора информационного обеспечения предназначено для редактирования документов информационных проектов. В зависимости от типа открытого для редактирования документа (мнемосхема, модель знаний ДИЭКС и т.п.) окно принимает вид, требуемый для проектирования соответствующего типа информационного обеспечения.

«СПРИНТ-КОНСТРУКТОР» разработан для обеспечения наиболее удобной работы проектного персонала, имеет интуитивно понятный интерфейс, облегчающий процесс создания и наполнения рабочего пространства, и позволяет проектировать и отслеживать выполнение всех этапов, вплоть до внедрения разработки на ТОУ, а после внедрения устанавливается на инженерную станцию для обслуживания информационного и программного обеспечения в процессе эксплуатации.

Технология интеллектуальной информационной поддержки оператора

Интеллектуальный интерфейса оператора-технолога реализован в виде многооконного образа (рис. 12), позволяющего как отображать оперативное состояние ТОУ, так и дистанционно управлять исполнительными механизмами ТОУ.

Рис. 12. Вид интерфейса интеллектуальной поддержки оператора

Выводы

Предлагаемая интеллектуальная SCADA типа «СПРИНТ-РВ» используется на Калининской, Нововоронежской атомных станциях и на 6 блоке Черепетской ГРЭС в проекте ВСТО-1. Она реализует все необходимые функции интеллектуальных SCADA-систем в части интеллектуальной поддержки операторов.