Разработка SCADA-систем

В. В. Кангин, М. В. Кангин, Д. Н. Ямолдинов

РАЗРАБОТКА  
SCADA-СИСТЕМ

Учебное пособие

Москва    Вологда
«Инфра-Инженерия»
2019

УДК 004.438Delphi 
 
 
 
 
 
ББК 32.973.3
К19

 
Кангин, В. В. 
К19    Разработка SCADA-систем : учебное пособие / В. В. Кангин,  
М. В. Кангин, Д. Н. Ямолдинов. – Москва ; Вологда : Инфра- 
Инженерия, 2019. – 564 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0319-1

                                                                                                                           
 Даны рекомендации по проектированию SCADA-системы с использованием среды визуального программирования Delphi. Приведен обзор 
существующих SCADA-систем с анализом принципов их работы. Рассмотрены возможности SCADA-системы как инструмента для просмотра тегов. Освещены вопросы организации распределенных систем управления 
с развитым диспетчерским уровнем. 
Для программистов, системных интеграторов, специалистов, занимающихся разработкой распределенных систем управления, научных 
работников, аспирантов и студентов вузов соответствующих специальностей.

УДК 004.438Delphi
ББК 32.973.3

ISBN 978-5-9729-0319-1     © Кангин В. В., Кангин М. В., Ямолдинов Д. Н., 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. 
SCADA-системы в компьютерных распределенных 
системах управления .....................................................................................9
1.1. Обзор существующих SCADA-систем ..............................................9
1.2. ОРС-стандарт обмена информацией SCADA-систем и ПЛК .......31
1.3. Функции, выполняемые  SCADA-системами ................................36
1.4. Структура стандарта OPC ................................................................43
1.5. Структура компьютерной распределенной системы
управления и организация программного обеспечения
диспетчерского уровня .....................................................................51
1.6. Fastwel PlcNet OPC Server — OPC-сервер 
для сетей PLCNET ............................................................................57
1.7. Работа с ОРС-сервером Fastwel PlcNet OPC Server .......................74

ГЛАВА 2. 
Организация взаимодействия программного обеспечения  
диспетчерского  и контроллерного уровней в компьютерных 
распределенных системах управления ....................................................81
2.1. Структура компьютерной  распределенной системы управления 
с одним узлом на диспетчерском уровне .......................................81
2.2. Простейший просмотрщик тегов для промышленной
сети PLCNET ....................................................................................83
2.3. Просмотрщик тегов в виде столбчатой диаграммы ......................97
2.4. Просмотрщик тегов в виде круговой диаграммы 
со стрелкой ......................................................................................131
2.5. Просмотрщик тегов в виде круговой диаграммы .......................158
2.6. Использование мультипликации в системах
визуализации информации ............................................................187
2.7. Сетевой лазерный тир ....................................................................230
2.8. SCADA-система для робота IRON BURATINO ..........................296

ГЛАВА 3. 
Организация взаимодействия программного обеспечения  
компьютеров диспетчерского уровня  
распределенной системы управления ....................................................347
3.1. Структура компьютерной распределенной системы
управления с многоузловым диспетчерским уровнем ................347

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

4

3.2. Назначение и организация объекта автоматизации ....................352
3.2.1. Модуль AddUnit ......................................................................352
3.2.2. Модуль MainUnit ...................................................................375
3.2.3. Практическая работа с объектом автоматизации .........398
3.2.4. Модуль NDgrServer_TLB ......................................................402
3.3. Назначение и организация OPC-клиента .....................................405
3.3.1. Функции, выполняемые OPC-клиентом ..............................405
3.3.2. Хранение данных в OPC-клиенте ........................................406
3.3.3. Обработка данных в OPC-клиенте ....................................412
3.3.4. Работа с OPC-клиентом .....................................................532
3.3.5. Взаимодействие ОРС-сервера, объекта автоматизации 
и ОРС-клиента ......................................................................545

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................550

БИБЛИОГРАФИЯ ......................................................................................551

ПРИЛОЖЕНИЯ ..........................................................................................552

Приложение 1. Список сокращений ...........................................................552
Приложение 2. Глоссарий ...........................................................................554

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается качественный скачок в разви- 
тии систем управления технологическим оборудованием и технологическими процессами. Системы управления стали децентрализованными, распределенными. Таким образом, в настоящее время можно говорить о распределенных системах управления (РСУ).
Промышленные  и локальные сети представляют собой физическую среду, на базе которой реализуются РСУ. РСУ в классическом 
виде представляет двухуровневую структуру. На нижнем уровне этой 
структуры находятся контроллеры — устройства, осуществляющие 
непосредственное управление технологическими процессами в реальном времени. Контроллер должен решать задачу управления быстро, в темпе протекания технологического процесса.
Производством контроллеров занимается большое количе- 
ство фирм как в России, так и за рубежом. Контроллеры подразде- 
ляются на моноблочные (компактные), модульные и PC-base конт- 
роллеры.
Значительное развитие получили PC-base контроллеры, представляющие, по сути, IBM PC, но выполненные в миниатюрном 
промышленном исполнении. По своим техническим характеристикам они приспособлены для работы в условиях улицы, цеха, склада. 
Именно один из этих контроллеров, а именно ADAM-5510 фирмы 
Advantech (Тайвань), будет рассматриваться в данной работе.
На верхнем уровне РСУ расположены удаленные компьютеры 
(рабочие станции), позволяющие выполнять следующие задачи:
 – сбор данных о параметрах технологического процесса, их обработка и архивирование принятой информации;
 – визуализация информации о ходе технологического процесса, сигнализация о предаварийных и аварийных ситуациях;
 – формирование сводок, журналов, отчетов и т. д.;
 – формирование команд оператора, направленных на изменение параметров настройки и режимов работы контроллеров;
 – автоматическое управление ходом технологического процесса (только в ряде случаев и для решения задач невысокого 
быстродействия).

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

6

Рабочие станции верхнего уровня представляют собой автоматизированные рабочие места (АРМ) производственного персонала, 
обслуживающего технологический процесс: операторы, технологи, 
наладчики, диспетчеры и т. д. Верхний уровень РСУ называют диспетчерским или операторским уровнем.
Диспетчерский уровень представлен персональными компьютерами (ПК), рабочими станциями, промышленными компьютерами  
и т. д.
Контроллеры, решая задачу непосредственного управления тех- 
нологическим оборудованием, принимают сигналы с датчиков и выдают управляющие сигналы на исполнительные механизмы. Одновременно с этим они решают еще одну важную задачу — передают 
информацию о состоянии технологического процесса на компьютеры 
верхнего диспетчерского уровня. В ряде случаев контроллеры могут 
обмениваться данными и между собой. Промышленная сеть и есть та 
физическая среда, по которой происходит обмен информацией между 
активными компонентами (узлами) РСУ. Таким образом, узлом в промышленной сети является контроллер.
Каждый технологический параметр представлен в сети в виде 
некоторой переменной — тега, и характеризуется величиной, качеством передачи (приема) по сети, типом и т. д.
Выделение в РСУ двух уровней позволяет говорить о программном обеспечении (ПО) для верхнего и для нижнего уровня. Естественно, что ПО для верхнего и нижнего уровней РСУ в значительной степени различаются. 
ПО для нижнего (контроллерного) уровня представляет собой 
программы, загруженные во флеш-память каждого контроллера,  
и выполняющиеся циклически. Для программирования контроллеров можно использовать языки высокого уровня, например C++,  
но в настоящее время широко используются специализированные 
языки программирования по стандарту IEC 61131-3.
К таким языкам, принадлежащим к группе языков Functional 
Block Diagrams (FBD) — функциональных блоковых диаграмм, от- 
носится язык UltraLogik, использующийся для программирова- 
ния контроллеров ADAM-5510. Этот язык позволяет легко выпол- 
нить проектирование управляющих программ высокой степени сложности. 

ВВЕДЕНИЕ

7

Какие бы алгоритмы не реализовала управляющая программа 
контроллера, важно, чтобы она еще передавала определенную нужную информацию в сеть. В UltraLogik это делается довольно просто. 
Достаточно той или иной переменной (параметру технологического 
процесса, состоянию того или иного датчика, управляющему сигналу и т. д.) присвоить статус «сетевая», как она гарантированно будет 
периодически передаваться контроллером в сеть.
ПО верхнего уровня реализуется в виде SCADA-системы 
(Supervisory Control and Data Acquisition — система сбора данных  
и оперативного диспетчерского управления). Задачи, которые выполняют SCADA-системы, были обозначены выше, но центральной является задача по приему тегов из сети. Для этих целей используются 
специальные приложения (программы), называемые OPC-серверами. 
OPC-сервер считывает значения тегов из сети и передает их приложению (программе) — клиенту. SCADA-системы являются клиентами 
OPC-серверов.
Разработкой SCADA-систем занимается ряд фирм (см. главу 1). 
Каждая SCADA-система имеет две составляющие:
 – инструментальная система (SCADA-пакет), с помощью которой можно разработать SCADA-систему нужного назначения;
 – исполнительная часть — приложение, полученное в результате работы инструментальной системы, устанавливаемое на 
рабочей станции диспетчерского уровня РСУ.
Фирмы — разработчики SCADA-систем поставляют именно 
инструментальную систему. Анализ существующих SCADA-систем 
показывает, что каждая из них представляет собой специализированный пакет программ, объединенный специфическим интерфейсом, особенностями использования, идеологией организации и т. д.  
Все это затрудняет переход от одной SCADA-системы к другой.
Высокая стоимость существующих SCADA-систем, отсутствие 
качественной технической документации, избыточность, за которою приходится платить пользователю, делают процесс внедрения 
SCADA-систем в производство весьма непростым мероприятием, 
которое под силу лишь «богатым» предприятиям, как правило, из 
сферы добычи прочих полезных ископаемых. Рядовым предприятиям машиностроительного профиля такие «игрушки» не по карману. 

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

8

Да и нет подготовленных кадров для решения задач проектирования 
SCADA-систем с помощью SCADA-пакетов. Эти задачи выполняют, 
как правило, специализированные фирмы — системные интеграторы, услуги которых тоже очень недешевы.
Однако пессимизм в данном вопросе можно развеять, если понять, что SCADA-систему любого уровня сложности и назначения 
можно спроектировать и без дорогостоящих услуг фирм — раз- 
работчиков SCADA-систем. Проектирование легко выполнить с помощью таких программных средств, как Delphi, Visual C++, VBA. 
Они имеют в своем составе все необходимые средства для работы  
с OPC-серверами, графикой, мультипликацией, базами данных и т. д.
Именно тому, как спроектировать свою собственную простую, 
но достаточно эффективную SCADA-систему, используя среду визуального программирования Delphi, посвящена эта книга.
В первой главе выполнен обзор существующих SCADA-систем, дан их анализ. Приводятся сведения о принципе работы OPC- 
серверов, их взаимодействии с другими приложениями-клиентами. Рассмотрены правила работы с OPC-сервером фирмы Fastwel 
(Fastwel PLCNet OPC Server).
Вторая глава посвящена проектированию просмотрщиков тегов, 
представляющих информацию в виде таблицы, столбчатых и круговых диаграмм, круговых диаграмм со стрелкой. Рассмотренные здесь 
SCADA-системы названы просмотрщиками тегов, поскольку при их 
разработке ставилась лишь задача приема тегов из сети и визуализации их значений в табличной или графической форме. 
В третьей главе рассматриваются вопросы организации РСУ с 
развитым диспетчерским уровнем. Здесь особое внимание уделено 
вопросу передачи информации с мастера сети на удаленные компьютеры и рабочие станции сети Ethernet.
Приложения содержат список сокращений, глоссарий. 
Книга предназначена для программистов, системных интеграторов, специалистов, занимающихся разработкой РСУ, научных работников, аспирантов и студентов вузов соответствующих специальностей.

ГЛАВА 1. 
SCADA-системы в компьютерных распределенных 
системах управления

1.1. Обзор существующих SCADA-систем

Современные распределенные системы управления (РСУ) 
имеют территориальное и функциональное распределение систем 
сбора данных и управления. Контроль за ходом технологического 
процесса, состоянием агрегатов и машин осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места оператора (АРМ оператора) или операторской станции, установленной в операторском 
помещении. При необходимости установки АРМ оператора в цеху 
используются промышленные рабочие станции со встроенной клавиатурой, выполненные в пыле-, влагозащищенном исполнении.
Представление данных о ходе технологического процесса  
в реальном масштабе времени, визуализация процессов в виде 
мнемосхем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и другие функции осуществляются с помощью 
специального программного обеспечения, которое называется  
SCADA-системой. 
SCADA-система (Supervisory Control And Date Acquisition — 
система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) 
представляет собой универсальное многофункциональное программное обеспечение (ПО) систем верхнего уровня автоматизированных систем управления технолгическими процессами (АСУ ТП). 
Это ПО позволяет  оперативному персоналу наиболее эффективно 
управлять технологическим процессом и контролировать его протекание. По мере развития программных и аппаратных средств наблюдается применение SCADA-систем и на нижнем, контроллерном 
уровне.
Основные функции, выполняемые большинством SCADA- 
систем:
1. Сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственно от датчиков и исполнительных устройств: значения температуры, давления, положение клапана или вала исполнительного механизма и т. д.

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

10

2. Обработка и хранение (архивирование) полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования, линеаризации и других для приведения данных  
к нужному формату.
3. Графическое представление информации о ходе технологического процесса в цифровой, символьной или иной форме. 
Это может быть динамизация значений переменных, представление значений переменных в виде графиков в функции 
времени (трендов), гистограмм и другое.
4. Сигнализация в предаварийных и аварийных ситуациях об 
изменениях хода технологического процесса в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация 
действий обслуживающего персонала в аварийных ситуациях.
5. Формирование сводок, журналов и других отчетных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах.
6. Формирование команд оператора по изменению параметров 
настройки и режима работы контроллеров, исполнительных устройств: пуск-останов, открытие-закрытие и другие 
функции.
7. Автоматическое управление ходом технологического процесса в соответствии с имеющимися в SCADA-системах 
алгоритмами управления: ПИ-, ПИД-регулирование, позиционное, нечеткое регулирование и т. д. Данные функции 
рекомендуется использовать для решения задач невысокого 
быстродействия.
Таким образом, SCADA-пакеты являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП — SCADA- 
систем. При этом от разработчика не требуется обширных знаний  
в области программирования на языках высокого уровня.
Наиболее распространенные на сегодняшний день SCADA- 
системы для РСУ представлены в табл. 1.1.
Рассмотрим характеристики SCADA-систем, используемых  
в РСУ.

ГЛАВА 1. SCADA-системы в компьютерных распределенных системах управления

11

Т а б л и ц а  1.1 
Наиболее распространенные SCADA-системы для РСУ

SCADA-система InTouch (Wonderware, США)

Программное 
обеспечение 
InTouch 
является 
объектно- 
ориентированным человеко-машинным интерфейсом (HMI — 
Human Machine Interface) для процессов сбора данных и управления. HMI позволяет контролировать объекты и системы и управлять 
ими, используя графические объекты. 
Основные функции HMI: 
 – отображение параметров объекта управления; 
 – отображение текущих и исторических трендов; 
 – отображение и регистрация аварийных сигналов. 
Средства объектно-ориентированного проектирования позволяют создавать динамические изображения, поддерживают их вращение, 
дублирование, копирование, вставку, стирание и другие операции. 
Анимационные связи поддерживают работу с дискретными, 
аналоговыми и строковыми переменными, горизонтальными и вертикальными движками и кнопками, а также связаны с размером и 
цветом текста, его местоположением, вращением и мерцанием. 
InTouch содержит полную библиотеку мастер-объектов (Wizard), 

РАЗРАБОТКА SCADA-СИСТЕМ

12

включающую предварительно сконфигурированные вспомогательные средства — переключатели, ползунковые регуляторы, счетчики. 
Возможно создание собственных мастер-объектов применительно  
к конкретной системе. 
Приложение Productivity Pack, являющееся дополнением к 
InTouch, содержит библиотеку из более чем 2 000 мастер-объектов, 
универсальные средства просмотра, рассчитанные на 200 файловых 
форматов, генератор мастер-объектов и т. д.
InTouch позволяет организовать взаимодействие с другими 
приложениями, используя следующие стандартные средства:
1. DDE-обмен (Dynamic Date Exchange — динамический обмен 
данными). Большинство серверов ввода-вывода, например 
контроллеры, поддерживают DDE-обмен для передачи данных в InTouch-приложение. Популярное приложение Excel 
также использует DDE-механизм. Используя NetDDE, поставляемый с InTouch, пользователь получает возможность 
связи по DDE между задачами на разных персональных 
компьютерах (ПК) через сеть. Поддерживается связь между операционными системами (ОС) Windows, VNS и UNIX  
с помощью протоколов NetBIOS, TCP/IP и DecNET, а также 
через последовательный канал.
2. OLE-технологию (Object Linking and Embedding — включение и встраивание объектов). Используется для взаимодействия с другими пользовательскими приложениями.
3. ОРС-программы (OLE for Process Control — OLE для управления процессами).
InTouch 7.11, поддерживаемая ОС Windows, является одним из 
компонентов интегрированного пакета программного обеспечения 
для полной автоматизации производства FactorySuite 2000.
Компоненты FactorySuite используются на трех уровнях автоматизации:
 – на контроллерном уровне (управление процессом с помощью ПЛК, УСО, рабочих станций);
 – на уровне SCADA-систем (супервизорное управление технологическим процессом);
 – на уровне MES-систем (оперативно-диспетчерское управление процессом).