Система диспетчеризации как верхний уровень АСУ ТП

Система диспетчеризации представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для централизованного мониторинга состояния удаленных объектов, оперативного управления и координации исполнителей. Основная цель - повышение эффективности, скорости реакции, прозрачности и управляемости процессов. В контексте АСУ ТП, диспетчеризация - это комплексная система, включающая все уровни: от датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень) до контроллеров (уровень УСО, PLC) и диспетчерских рабочих станций (SCADA). Система диспетчеризации является ее человеко-машинным интерфейсом и инструментом оперативного управления.

В большинстве случаев - это SCADA-система, выполняющая функции супервизорного контроля и диспетчерского управления технологическим процессом. Она опирается на телемеханику как на транспортную и протокольную основу для связи с удаленными объектами. Архитектура эволюционирует от строгой централизации к гибридной модели Edge-Cloud, где критическое управление остается на уровне ПЛК/RTU, а SCADA выступает в роли оперативного монитора, архивариуса и координатора нештатных ситуаций. Телемеханика (ТМ) - это подсистема или технология в рамках АСУ ТП, отвечающая исключительно за сбор данных (телеметрия - ТИ), передачу дискретных сигналов (ТС - телесигнализация) и команд (ТУ - телеуправление) на значительные расстояния, часто с использованием специализированных каналов связи и протоколов (МЭК 60870-5-101/104, МЭК 61850). Телемеханика обеспечивает функционирование системы диспетчеризации на распределенных объектах.

Архитектура и функциональные уровни

По стандарту ISA-95/Purdue Model, система диспетчеризации функционирует на Уровне 2 (Supervisory Control) и взаимодействует с:

• Уровень 0-1 (Полевой уровень, управление в реальном времени): Датчики, исполнительные механизмы, ПЛК (Programmable Logic Controller), RTU (Remote Terminal Unit), PAC (Programmable Automation Controller). Здесь происходит первичный сбор данных (ТИ) и исполнение команд (ТУ).
• Уровень 2 (SCADA/HMI): Собственно система диспетчеризации. Функции:
  • Визуализация: Мнемосхемы технологических процессов, географические карты с объектами.
  • Оперативное управление: Выдача команд ТУ (пуск/останов, открыть/закрыть) с ручным подтверждением оператора.
  • Сбор и регистрация данных: Прием и архивация всей телеметрии (ТИ), телесигнализации (ТС).
  • Сигнализация и события: Обработка аварийных и предупредительных сигналов, ведение журнала событий.
  • Формирование отчетов: Сменные, суточные, аварийные отчеты.
• Уровень 3 (MES): Управление производственными операциями. Диспетчеризация здесь фокусируется на заданиях, загрузке оборудования, отслеживании партий продукции, анализе эффективности (OEE). Это диспетчеризация производства, а не процесса.
• Уровень 4 (ERP): Планирование ресурсов предприятия. Взаимодействие с системой диспетчеризации уровня 2 для получения данных о фактическом выпуске, расходе сырья, простоях.

Способы организации каналов связи

1. Выделенные проводные линии: Медные пары (токовая петля), оптоволокно. Высокая надежность, защищенность, низкая задержка. Применяются на ответственных объектах (энергетика, нефтегаз).
2. Каналы общего пользования:
   • Сотовые сети: 2G (GPRS/EDGE как резерв), 3G/4G LTE (основной канал для мобильных и распределенных объектов), 5G (перспектива для задач с ультранизкой задержкой). Используют VPN (IPsec, OpenVPN) или APN для защиты.
   • Спутниковые каналы (VSAT, Inmarsat, Iridium): Для объектов вне зоны покрытия сотовых сетей. Высокая стоимость, существенная задержка.
3. Радиоканалы (собственные сети):
   • УКВ/КВ диапазоны: Для организации сети в сложной местности. Требуют получения частот и развертывания инфраструктуры (базовые станции).
   • Узкополосные технологии LPWAN: LoRaWAN, NB-IoT. Для массового сбора данных с тысяч малопотребляющих датчиков (например, показания счетчиков) с низкой скоростью.

Способы сбора данных

1. Опрос (Polling): Мастер-станция (сервер SCADA) циклически опрашивает ведомые устройства (ПЛК, RTU) по очереди. Детерминированный, но неэффективный при большом числе устройств.
2. Передача по инициативе подчиненного (Reporting by Exception): Устройство на нижнем уровне передает данные только при изменении значения (для аналоговых - при превышении "мертвой зоны") или возникновении события. Резко снижает трафик. Основной метод в современных системах.
3. Циклический/нециклический обмен: Циклический - по расписанию, нециклический - по событию или команде.
4. Используемые промышленные протоколы:
   • Для уровня ПЛК-RTU-SCADA: OPC UA (современный стандарт), Modbus TCP/RTU, Profinet, EtherNet/IP.
   • Для телемеханики в энергетике: МЭК 60870-5-101 (последовательный), 104 (IP), МЭК 61850 (подстанции).
   • Для нефтегаза: OPC UA, Modbus, DNP3, проприетарные протоколы производителей ПЛК.

Централизованное и децентрализованное хранение данных

• Централизованная (Классическая SCADA):

  • Сервер архива/истории (Historian): Centralized SQL/Time-Series (например, OSIsoft PI, InfluxDB) база данных. Хранит все сырые или осредненные данные с меткой времени. Обеспечивает долгосрочное хранение, тренды, отчетность.
  • Серверы реального времени: Обрабатывают потоковые данные для визуализации и сигнализации.
  • Плюсы: Единое хранилище, согласованность, мощная аналитика.
  • Минусы: Единая точка отказа, требования к каналу.

• Децентрализованная/Распределенная (Edge Computing + Cloud):

  • Периферийные контроллеры (Edge PLC/PAC): Выполняют первичную обработку, локальную логику управления, агрегацию данных. Могут работать автономно при потере связи.
  • Промышленные шлюзы (Edge Gateways): Конвертируют протоколы, фильтруют данные, отправляют на верхний уровень только существенную информацию.
  • Облачные платформы (IIoT): Получают агрегированные данные для глобальной аналитики, кросс-объектного анализа, предиктивных моделей. Не используются для прямого управления в реальном времени из-за потенциальной задержки.
  • Плюсы: Отказоустойчивость, снижение нагрузки на сеть, скорость локального реагирования.
  • Минусы: Сложность администрирования и обновления прошивок на множестве устройств.

Обработка данных в системе диспетчеризации

1. Нормализация и валидация: Приведение данных к инженерным единицам, проверка на достоверность (отсев "плохих" значений по диапазонам, скорости изменения).
2. Обработка в реальном времени:
   • Сигнализация: Сравнение с уставками, генерация аварийных и предупредительных сообщений.
   • Логические и арифметические операции: Расчет производных показателей (КПД, расход, итоги).
   • Автоматическое регулирование (если реализовано на верхнем уровне): Запуск ПИД-регуляторов, сложных последовательностей.
3. Архивация и пост-обработка:
   • Осреднение: Запись в долгосрочный архив не каждого значения, а среднего за минуту/час.
   • Агрегация и отчетность: Формирование сменных/суточных отчетов по производительности, расходу.
   • Аналитика: Выявление трендов, корреляций, построение предиктивных моделей (часто выносится на уровень MES/IIoT).

Вывод

Система диспетчеризации как верхний уровень АСУ ТП (уровни 2 и 3 по ISA-95) - это система, ответственная за супервизорный контроль, оперативное диспетчерское управление и координацию производственных операций, в отличие от нижних уровней (0 и 1), где осуществляется непосредственное воздействие на процесс и базовое автоматическое регулирование. Система диспетчеризации - это не отдельная сущность, а функциональная надстройка, реализованная средствами SCADA и MES, которая занимает верхнюю позицию в операционной цепочке управления технологическим процессом.