Системы автоматизации технологических процессов: уровни, средства и стадии создания

Системы автоматизации технологических процессов управляют оборудованием в реальном времени: снимают показания с датчиков, вычисляют управляющее воздействие и подают его на исполнительный механизм. Счёт идёт на миллисекунды. У контроллера Regul R500 производства «Прософт-Системы» минимальное время цикла заявлено в 1 мс, в режиме горячего резервирования 10 мс, переключение на резервный процессор занимает 5 мс. Это другая инженерия, чем автоматизация офисных задач: цена ошибки измеряется не потерянной заявкой, а остановленной линией.

Что относят к системам автоматизации технологических процессов

Технологический процесс это преобразование сырья в продукт физическими или химическими средствами: нагрев, дозирование, розлив, резка, сушка. Объект управления конкретен: печь, насосная станция, котёл, линия розлива.

Отличительный признак один, замкнутый контур регулирования. Датчик измеряет параметр, контроллер сравнивает его с уставкой и меняет воздействие, датчик измеряет результат снова. У учётной системы единица работы это транзакция, её можно провести задним числом. У АСУ ТП единица это цикл опроса, и пропущенный цикл догнать позже нельзя.

АСУ ТП: расшифровка и что стоит за каждым словом

АСУ ТП это автоматизированная система управления технологическим процессом. В расшифровке значимо каждое слово.

• Автоматизированная, а не автоматическая. Оператор остаётся в контуре: задаёт уставки, подтверждает смену режимов, реагирует на тревоги.
• Система управления, а не наблюдения. Если экран показывает температуру, но не может её изменить, это диспетчеризация, а не АСУ ТП.
• Технологическим процессом, а не производством. Заказы, спецификации, план выпуска и себестоимость лежат вне контура.

Аббревиатура закреплена и в праве. Федеральный закон от 26.07.2017 № 187-ФЗ «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации» перечисляет автоматизированные системы управления отдельным видом объектов КИИ, наряду с информационными системами и сетями связи. Из этого следуют обязанности владельца, о них ниже.

Три уровня системы: полевой, контроллерный, диспетчерский

Деление на уровни не академическое: на каждом свои поставщики, протоколы и бюджет.

Уровень	Что стоит	Что делает
Полевой	Датчики температуры, давления, расхода; частотные приводы; электроприводы задвижек	Измеряет величину, отрабатывает команду на оборудовании
Контроллерный	ПЛК, модули ввода-вывода, панели оператора, шкафы автоматики	Опрашивает датчики по циклу, считает регулирование и блокировки
Диспетчерский	SCADA-сервер, АРМ оператора, сервер архива	Визуализирует процесс, ведёт архив и журнал тревог, отдаёт данные наверх

Всё, что выше диспетчерского уровня, к АСУ ТП не относится: там работают системы производственного и управленческого учёта.

Средства автоматизации технологических процессов: что реально закупается

Средства автоматизации технологических процессов это не абстрактный «комплекс», а номенклатура с паспортными характеристиками. Ниже российские продукты с цифрами из документации производителя.

Контроллеры

ОВЕН ПЛК210 в модификации 210-1х построен на четырёхъядерном Cortex-A55 1,8 ГГц, несёт 2 ГБ DDR4 и 8 ГБ флеш-памяти eMMC, энергонезависимая область RETAIN на 64 КБ выполнена на MRAM. Коммуникации: четыре порта Ethernet 100Base-T, два RS-485, один RS-232, USB Host и Device, слот microSD. Поддерживает Modbus TCP, MQTT, OPC UA Server, а также STP и RSTP для кольцевой топологии. Программируется в CODESYS V3.5 SP14 Patch 3. Диапазон температур от минус 20 до плюс 55 градусов.

Для ответственных объектов берут контроллеры с резервированием. У Regul R500 предусмотрено горячее резервирование процессоров, блоков питания и модулей ввода-вывода, горячая замена без снятия питания, синхронизация времени с точностью до 50 мкс, диапазон от минус 40 до плюс 60 градусов. Протоколы шире: Modbus RTU и TCP, HART версий 6 и 7, МЭК 60870-5-101 и 104, OPC DA и UA, Foundation Fieldbus H1.

Панели оператора

ОВЕН СП310 это сенсорная панель с TFT-матрицей 10,1 дюйма и разрешением 800 на 480 точек, наработка подсветки не менее 50 000 часов при 25 градусах. Два порта RS-232/RS-485 с Modbus RTU в режимах Master и Slave; модификация СП310-Р добавляет Ethernet 10/100 Мбит/с с Modbus TCP и USB Host под накопители до 32 ГБ. Питание 23…27 В, защита корпуса IP65 с лицевой стороны и IP20 со стороны разъёмов, рабочая температура от 0 до плюс 50 градусов. Конфигурируется в ПО «Конфигуратор СП300».

SCADA

MasterSCADA 4D компании «ИнСАТ» внесена в реестр российского ПО под номером 13907, заявлена работа на Windows, Linux, Android, QNX и «Эльбрус», платформы x86, x64 и ARM версий 7 и 8. По лицензионной политике вендора среда разработки бесплатна, лицензируется количество внешних точек опроса и число клиентов: модуль MSRT4D Local идёт в градациях 32, 100, 500 и 1000 точек, серверные редакции доходят до 10 000 и безлимитной. Редакция RT32 на 32 точки бесплатна, но без архивирования во внешнюю СУБД и без SMS-оповещений, только под Windows. Документ лицензионной политики, из которого взяты эти градации, датирован 05.11.2020, продукт поставляется через дилеров: текущий состав редакций и цену подтверждайте у вендора.

Альтернатива с открытым исходным кодом это Rapid SCADA: дистрибутив Community распространяется бесплатно и, по заявлению разработчика, не ограничен ни по числу точек, ни по сроку; платными идут дополнительные модули. Программа включена в единый реестр российских программ под номером 307000.

Чем система АСУ ТП программируется: языки МЭК 61131-3

Логика контроллера пишется на языках, закреплённых стандартом. Действует ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016 «Контроллеры программируемые. Часть 3. Языки программирования», идентичный IEC 61131-3:2013 и утверждённый приказом Росстандарта от 13 мая 2016 года.

• LD, релейно-контактные схемы. Графика, понятная электрику без ИТ-подготовки: блокировки и пускатели читаются именно в ней.
• FBD, функциональные блоки. Естественная запись для контуров регулирования.
• ST, текстовый язык паскалеподобного синтаксиса. Нужен там, где расчёты, циклы и массивы.
• SFC, последовательные функциональные схемы. Структурирование программы по шагам и переходам: варка, мойка, любой периодический процесс.

Практический вывод: «поддержка МЭК 61131-3» у двух контроллеров не значит, что проект переносится между ними без переписывания. Библиотеки блоков, адресация памяти и драйверы у CODESYS и Astra.IDE различаются, переносимость проверяется на пилотном фрагменте до подписания договора.

Протоколы: чем уровни связаны между собой

Список протоколов согласуется до закупки, иначе в проекте появляется шлюз, а с ним лишняя точка отказа.

• Modbus RTU и ASCII по RS-485. Общий знаменатель: поддерживают и СП310, и ПЛК210, и Regul R500. Роли Master и Slave распределяются при проектировании.
• OPC UA, международный стандарт IEC 62541. Основной способ отдать данные наверх с описанием смысла, а не голыми номерами регистров. ПЛК210 работает в роли OPC UA Server, Regul R500 поддерживает OPC DA и UA.
• МЭК 60870-5-101 и 104. Телемеханика для энергетики и распределённых объектов.
• HART версий 6 и 7. Обмен с полевыми приборами поверх токовой петли: диагностика и настройка датчика без выезда.

Стадии создания и комплект документов

Порядок работ задан стандартом. С 30 апреля 2022 года действует ГОСТ Р 59793-2021 «Информационные технологии. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания», утверждённый приказом Росстандарта от 25 октября 2021 года № 1285-ст и введённый впервые. В технических заданиях ссылаются и на межгосударственный ГОСТ 34.601-90, действующий с 1 января 1992 года.

Стадий восемь: формирование требований к АС; разработка концепции АС; техническое задание; эскизный проект; технический проект; рабочая документация; ввод в действие; сопровождение АС. Самая объёмная это ввод в действие: подготовка объекта и персонала, комплектация, строительно-монтажные и пусконаладочные работы, предварительные испытания, опытная эксплуатация и приёмочные испытания.

Два отличия от привычного ГОСТ 34.601-90 стоит держать в голове. Первое: в стадию «Разработка концепции» добавлен этап 2.4 «Оценка рисков проекта», которого в стандарте 1990 года не было. Второе: прямо разрешено исключать стадию «Эскизный проект», перенося её работы в технический проект, и объединять «Технический проект» с «Рабочей документацией» в стадию «Технорабочий проект». Отдельные этапы допускается исключать на всех стадиях, состав работ фиксируется в договоре и ТЗ.

Комплект документов регулируют ещё два стандарта. ГОСТ 34.201-2020 «Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем» действует с 1 января 2022 года взамен ГОСТ 34.201-89. ГОСТ 21.408-2013 устанавливает правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов, при этом рабочая документация технического обеспечения АСУ ТП разрабатывается по ГОСТ 34.201. Если подрядчик не называет эти документы, обсуждая состав поставки, это повод задать больше вопросов.

Противоаварийная защита: почему ПАЗ выносят отдельно

Контур регулирования и контур безопасности решают разные задачи и не должны зависеть друг от друга: система противоаварийной автоматической защиты переводит объект в безопасное состояние независимо от того, что случилось с основным контроллером.

Требования описаны в ГОСТ Р МЭК 61511-1-2011 «Безопасность функциональная. Системы безопасности приборные для промышленных процессов. Часть 1. Термины, определения и технические требования». Стандарт держится на двух понятиях: уровень полноты безопасности SIL, задающий требуемое снижение риска и допустимую вероятность отказа контура, и жизненный цикл безопасности. Компоненты сертифицируются по ГОСТ Р МЭК 61508. На практике игнорируют чаще второе: SIL у оборудования спрашивают, а периодические проверки контуров не ведут, хотя заявленная вероятность отказа считается при определённой периодичности испытаний.

Требования КИИ: 187-ФЗ, категорирование и импортозамещение

Если предприятие работает в одной из сфер, перечисленных в 187-ФЗ (энергетика, химия, ТЭК, транспорт, здравоохранение и другие), его АСУ ТП попадает в периметр закона.

• Категорирование. Порядок установлен постановлением Правительства РФ от 08.02.2018 № 127, которым утверждены правила категорирования и перечень показателей критериев значимости. Категорий три, первая наивысшая; по итогам оценки объект может не получить категорию вовсе.
• Меры защиты. Приказ ФСТЭК России от 25.12.2017 № 239 зарегистрирован в Минюсте 26.03.2018 под номером 50524 и действует в редакции от 28.08.2024. Состав мер задан приложением к приказу и зависит от присвоенной категории.
• Импортозамещение. Указ Президента РФ от 30.03.2022 № 166 запретил с 31 марта 2022 года закупать иностранное ПО для значимых объектов КИИ без согласования с уполномоченным органом, а с 1 января 2025 года использовать его на таких объектах.

Практическое следствие: на значимых объектах SCADA и прикладное ПО подбираются из единого реестра российских программ, номер реестровой записи запрашивается у поставщика до подписания спецификации.

Управление АСУ ТП после запуска

Проект не заканчивается приёмочными испытаниями. Управление АСУ ТП в эксплуатации держится на пяти регламентах: версионирование проектов, порядок изменения уставок, резервные копии, подготовка персонала и метрология.

• Версионирование. Проект контроллера и проект SCADA хранятся с историей изменений. Иначе после ухода инженера актуальной версией окажется та, что лежала на его ноутбуке.
• Регламент уставок. Кто вправе менять уставку, где это фиксируется, кто согласует изменение блокировки. Журнал событий SCADA бесполезен, если права не разделены.
• Резервные копии. Отдельно проект ПЛК, отдельно проект SCADA, отдельно база архива. Восстановление проверяется на стенде, а не в момент аварии.
• Подготовка персонала и сопровождение. Это этап 7.2 и стадия 8 по ГОСТ Р 59793-2021, а не жест доброй воли подрядчика. Сопровождение делится на гарантийные обязательства и послегарантийное обслуживание, сроки обеих частей фиксируются в договоре.
• Метрология. Датчики измерительных каналов проходят поверку с установленной периодичностью: просроченная поверка обесценивает любые данные с канала.

Где АСУ ТП заканчивается и начинается учёт производства

АСУ ТП знает температуру в аппарате, расход по линии и положение задвижки. Она не знает, под какой заказ идёт партия, какая у неё спецификация и какова себестоимость. Эти сведения живут в системе производственного учёта, граница между контурами описана в модели ГОСТ Р МЭК 62264-1.

Сшивают их обменом данными: SCADA отдаёт наверх агрегированные показатели за смену или партию, учётная система возвращает вниз задание и параметры рецептуры. Это отдельный проект со своими требованиями к форматам и частоте обмена. Как устроен производственный учёт на стороне учётной системы, разобрано в материале о комплексной автоматизации производства.

Частые вопросы

Как расшифровывается АСУ ТП

Автоматизированная система управления технологическим процессом. Слово «автоматизированная» означает, что оператор остаётся в контуре. В 187-ФЗ автоматизированные системы управления выделены отдельным видом объектов критической информационной инфраструктуры.

По какому стандарту создаётся АСУ ТП

С 30 апреля 2022 года действует ГОСТ Р 59793-2021 (приказ Росстандарта от 25.10.2021 № 1285-ст), он устанавливает восемь стадий. Документация оформляется по ГОСТ 34.201-2020, рабочая документация автоматизации технологических процессов по ГОСТ 21.408-2013.

Можно ли попробовать SCADA бесплатно

Да. По лицензионной политике «ИнСАТ» от 05.11.2020 среда разработки MasterSCADA 4D бесплатна, а модуль RT32 работает без оплаты на 32 точки опроса под Windows, но без архивирования во внешнюю СУБД и SMS-оповещений. Rapid SCADA в редакции Community распространяется бесплатно без ограничения по числу точек, программа значится в реестре российского ПО под номером 307000.

Обязательно ли ставить российскую SCADA

Для значимых объектов КИИ да: Указ Президента РФ от 30.03.2022 № 166 запретил использовать на них иностранное ПО с 1 января 2025 года, а закупку ограничил согласованием ещё с 31 марта 2022 года. Для объектов вне периметра КИИ ограничение не действует.

На каком языке пишут программу для контроллера

На языках ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016: текстовых ST и IL, графических LD и FBD, плюс SFC для структурирования по шагам. Среда зависит от производителя: ПЛК210 программируется в CODESYS V3.5 SP14 Patch 3, Regul R500 в Astra.IDE.