ПК КАСКАД 4.0 — современная платформа для построения HMI и диспетчерских систем

Современные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) невозможно представить без программных комплексов класса SCADA/HMI. Они обеспечивают связь между технологическим оборудованием и человеком, позволяют осуществлять мониторинг состояния производственных объектов, выполнять диспетчерское управление, вести архив технологических параметров и анализировать эффективность производственных процессов. В условиях цифровизации промышленности требования к подобным системам значительно возросли. Помимо отображения информации оператору, современные платформы должны поддерживать распределенную архитектуру, обработку больших потоков данных, интеграцию с корпоративными информационными системами, а также обладать высокой надежностью и масштабируемостью.

Одной из таких отечественных платформ является программный комплекс КАСКАД 4.0. В отличие от большинства классических SCADA-систем, архитектура КАСКАД строится вокруг объектной модели данных и микросервисного принципа построения программного обеспечения. Благодаря этому платформа позволяет создавать как небольшие локальные HMI, так и крупные диспетчерские комплексы с десятками тысяч точек данных и большим количеством одновременно работающих операторов.

Главной особенностью КАСКАД является то, что система не рассматривает технологические сигналы как набор независимых тегов. В основе платформы лежит объектная модель, объединяющая точки данных, параметры, свойства и графическое представление оборудования в единую логическую структуру. Именно это отличает КАСКАД от многих традиционных SCADA-систем.

Архитектура ПК КАСКАД

Архитектура КАСКАД 4.0 построена по микросервисному принципу. Вместо единого монолитного приложения используется набор независимых менеджеров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию. Подобный подход позволяет значительно повысить надежность системы, упростить сопровождение и обеспечить возможность горизонтального масштабирования.

Основными менеджерами являются:

  • Консоль управления менеджерами;
  • Gateway (Шлюз);
  • Handler (обработчик данных);
  • HDB (Historical Database);
  • Конфигуратор точек данных;
  • User Interface (UI).

Каждый менеджер представляет собой самостоятельный программный процесс. Между ними осуществляется обмен сообщениями и технологическими данными. Благодаря этому отказ одного компонента не приводит к полной остановке системы.

Например, если пользовательский интерфейс будет закрыт, шлюз продолжит обмениваться информацией с контроллерами, а менеджер архивов продолжит сохранять исторические данные. После повторного запуска клиента оператор сразу увидит актуальное состояние оборудования.

Подобная архитектура значительно превосходит классические SCADA-системы, где все функции выполнялись одним исполняемым процессом.

Gateway — центр обмена технологическими данными

Менеджер Gateway отвечает за взаимодействие с внешними источниками информации.

Именно он осуществляет обмен данными с:

  • программируемыми логическими контроллерами;
  • устройствами ввода-вывода;
  • интеллектуальными датчиками;
  • промышленными счетчиками;
  • OPC UA серверами;
  • MQTT брокерами;
  • Modbus TCP и Modbus RTU устройствами.

Gateway можно сравнить с коммуникационным центром всей системы. Его задача заключается не в обработке данных, а исключительно в их получении и передаче внутренним менеджерам КАСКАД. После получения нового значения оно передается обработчику Handler.

Handler — ядро обработки информации

Handler является одним из наиболее важных компонентов КАСКАД. Именно здесь происходит основная логическая обработка информации.

После получения нового значения Handler:

  • определяет изменение параметра;
  • проверяет качество данных;
  • обновляет соответствующий DataPoint;
  • уведомляет пользовательский интерфейс;
  • передает информацию в архив;
  • проверяет условия возникновения тревог;
  • рассылает обновления всем подключенным клиентам.

Таким образом Handler является центральным диспетчером системы. Он обеспечивает согласованную работу всех остальных менеджеров.

HDB — менеджер исторических баз данных

Любая промышленная система должна хранить историю изменения технологических параметров.

В КАСКАД данная задача полностью возложена на менеджер Historical Database.

После получения информации от Handler архивный менеджер записывает данные в историческую базу.

На основании накопленных данных строятся:

  • тренды;
  • отчеты;
  • статистика;
  • журналы изменений;
  • анализ работы оборудования.

Отделение функций архивирования от обмена с контроллерами позволяет значительно повысить производительность системы.

Объектная модель КАСКАД

Наиболее важной особенностью платформы является использование объектной модели данных.

Во многих SCADA основной единицей является тег.

КАСКАД использует значительно более высокий уровень абстракции — DataPoint.

DataPoint (Точка данных) представляет собой программный объект, описывающий некоторую сущность технологического процесса.

Это может быть насос, вентилятор, задвижка, электродвигатель, резервуар, теплообменник, датчик температуры, помещение, линия электропередачи. Например, насос рассматривается не как несколько независимых тегов, а как единый объект.

Внутри него находятся параметры:

Pump_1

├── State

├── Current

├── Temperature

├── Pressure

├── Runtime

├── Alarm

└── Mode

Таким образом DataPoint объединяет всю информацию, относящуюся к одному объекту технологического процесса. Подобный подход значительно упрощает разработку крупных проектов. Инженер работает не с тысячами отдельных тегов, а с логически завершенными объектами.

Para — сердце объектной модели

Если DataPoint является объектом, то Para представляет собой отдельный параметр этого объекта. Именно Para содержит реальные технологические данные.

Например:

DataPoint «Насос»

имеет Para:

  • State;
  • Speed;
  • Current;
  • Voltage;
  • Alarm;
  • Runtime;
  • Pressure.

Каждый Para обладает собственным набором свойств. К ним относятся:

  • значение;
  • тип данных;
  • единица измерения;
  • качество;
  • время изменения;
  • время получения;
  • права доступа;
  • возможность архивирования;
  • принадлежность тревогам.

Таким образом Para значительно превосходит обычный тег SCADA. Фактически Para представляет собой полноценный программный объект со своим состоянием и набором характеристик.

При изменении значения Para автоматически запускается цепочка обработки:

PLC

↓

Gateway

↓

Handler

↓

Para

↓

HDB

↓

GEDI

↓

Экран оператора

Поэтому изменение одного параметра мгновенно отражается одновременно на мнемосхеме, в трендах, в архиве, в тревогах, в отчетах.

Конфигуратор точек данных

Для создания DataPoint используется специализированный конфигуратор. Он является инженерной частью КАСКАД, где создается вся структура проекта. Инженер формирует дерево объектов предприятия.

Например:

Предприятие

└── Котельная

      ├── Насос №1

      ├── Насос №2

      ├── Котел

      ├── Вентилятор

      └── Теплообменник

Каждый объект автоматически содержит набор Para. Благодаря этому значительно уменьшается объем ручной настройки проекта.

GEDI — графическая среда разработки

Одним из наиболее мощных компонентов платформы является редактор GEDI.

GEDI (Graphic Editor) предназначен для создания человеко-машинных интерфейсов. В отличие от обычных графических редакторов GEDI работает непосредственно с объектной моделью КАСКАД.

Графические элементы не содержат собственных данных. Они лишь отображают состояние соответствующих Para.

Например, изображение насоса может одновременно отображать, цвет состояния, скорость вращения, температуру, ток двигателя, режим работы, аварийное состояние.

Каждый из этих параметров связан с конкретным Para DataPoint. При изменении значения Handler автоматически уведомляет GEDI. Редактор обновляет только те элементы экрана, которые действительно изменились.

Такой механизм значительно повышает производительность пользовательского интерфейса.

Динамические свойства объектов

GEDI поддерживает большое количество динамических свойств.

К ним относятся изменение цвета, изменение прозрачности, изменение размеров, изменение положения, поворот объектов, мигание, анимация, отображение текста, изменение изображений.

Все динамические свойства получают информацию непосредственно из Para. Подобный механизм позволяет создавать очень информативные мнемосхемы.

Архивирование и тренды

Каждый Para может быть настроен на архивирование. При изменении значения Handler передает информацию менеджеру HDB.

После записи в историческую базу становятся доступны:

  • построение графиков;
  • анализ изменений;
  • поиск аварийных ситуаций;
  • формирование отчетов;
  • анализ производительности оборудования.

Поскольку архивируются именно Para, история автоматически сохраняет всю объектную структуру проекта.

Тревоги и события

Каждый Para способен генерировать события.

После возникновения тревоги система:

  • отображает сообщение;
  • сохраняет событие;
  • записывает время возникновения;
  • контролирует подтверждение оператором;
  • сохраняет время подтверждения.

Таким образом формируется полный журнал работы оборудования.

Масштабируемость системы

Одним из главных преимуществ КАСКАД является возможность масштабирования.

Небольшой объект может работать на одном компьютере. Крупное предприятие может распределить менеджеры между несколькими серверами.

При этом объектная модель остается единой и оператор не замечает распределения компонентов.

Преимущества объектной модели

Использование DataPoint и Para обеспечивает ряд преимуществ перед традиционной моделью тегов:

  • логическое объединение параметров оборудования;
  • упрощение разработки и сопровождения проектов;
  • повторное использование шаблонов объектов;
  • единый подход к архивированию, тревогам и визуализации;
  • снижение вероятности ошибок при проектировании;
  • удобное масштабирование крупных проектов.

Именно объектная модель позволяет эффективно работать с десятками тысяч технологических параметров, сохраняя при этом понятную структуру проекта.

Заключение

Программный комплекс КАСКАД 4.0 представляет собой современную отечественную платформу для построения HMI, SCADA и диспетчерских систем, основанную на микросервисной архитектуре и объектно-ориентированной модели данных. В отличие от традиционных SCADA-систем, где основным элементом является отдельный тег, КАСКАД использует концепцию DataPoint — программного объекта, объединяющего связанные параметры оборудования. Внутри каждого объекта находятся Para, представляющие собой полноценные параметры с собственными значениями, качеством данных, временными метками, настройками архивирования и участия в системе тревог. Благодаря поддержке современных промышленных протоколов, масштабируемой архитектуре, развитым средствам визуализации и глубокой интеграции объектной модели с пользовательским интерфейсом КАСКАД может эффективно применяться как на небольших локальных объектах автоматизации, так и в составе крупных распределенных диспетчерских комплексов.