Sub6 - Sisteme SCADA Şi Comunicaţii Industriale [PDF]

Zitiervorschau

2.1.1. UnităŃi master (MTU) Într-un sistem SCADA unitatea MTU realizează elaborarea comenzilor, centralizarea datelor, memorarea informaŃiilor, comunicarea cu alte sisteme asociate, interfaŃa cu operatorul. 2.1.1.1. InterfaŃa de comunicaŃie MTU trebuie să transmită informaŃii fiecărui RTU. Mediul de comunicaŃie şi protocolul sunt aceleaşi cu cele folosite de RTU pentru a-i transmite informaŃii. InterfaŃa de comunicaŃie a MTU-ului este similară cu a RTU-ului. În plus, MTU poate iniŃia o comunicaŃie. ComunicaŃiile sunt iniŃiate de subrutine din MTU, ce pot fi activate manual de către operator (mai rar), sau de alte programe din RTU. MTU poate comunica cu imprimante sau display-uri care formează interfaŃa operator. Pe de altă parte MTU poate comunica cu calculatoare aflate la un nivel ierarhic superior, fie pe baza unor protocoale speciale, fie pe bază de protocoale de comunicaŃie specifice reŃelelor de calculatoare.

2.1.1.2. Realizarea unei pictograme a procesului Unitatea MTU poate să îndeplinească funcŃiile necesare dacă procesorul acesteia cunoaşte foarte detaliat toŃi senzorii şi actuatoarele conectate la sistem. Descrierea trebuie realizată într-o formă ierarhică. Pentru exemplificare se va considera sistemul din Figura 2.27, ce reprezintă o conductă de transport , sub controlul unui MTU. Unitatea RTU 1 monitorizează starea unei pompe şi a unei vane, comandă stările acestora, asigură transferul către MTU a informaŃiei privind cantitatea de fluid la intrarea în conductă, supraveghează contactul unui traductor de joasă presiune – care va fi interpretat ca o alarmă. Toate aceste funcŃii se fac sub controlul MTU. Unitatea RTU3 are aceleaşi funcŃii mai puŃin pompa. Unitatea RTU 2 are ca echipament periferic o vană de blocare pe care o poate monitoriza şi comanda şi o alarmă de joasă presiune ce trebuie interfaŃată către MTU. Sistemul SCADA trebuie să realizeze: urmărirea permanentă a cantităŃii de fluid ce intră în conductă, urmărirea permanentă a cantităŃii de fluid ce iese din conductă, să genereze o alarmă în cazul unor diferenŃe prea mari între cele două cantităŃi.

Figura 2.27 Sistem SCADA care controlează o conductă de transport

Dacă operatorul comandă închiderea conductei, MTU trebuie să realizeze comenzile: să transmită fiecărui RTU, ce conduce o vană de blocare, să închidă acea vană (cu prioritate ridicată); să comande RTU 1 să oprească pompa; să verifice închiderea fiecărei vane; dacă vanele sunt închise MTU avizează operatorul; dacă vana nu este închisă previne operatorul şi recomandă RTU-ului să închidă vana; după un număr prestabilit de încercări nereuşite de închidere a vanei, MTU previne operatorul de aceasta. În plus, MTU trebuie să poată informa operatorul despre starea pompei şi a vanelor de fiecare dată când i se solicită. La schimbări în starea conductei, sau la cerere, trebuie să poată imprima un raport asupra cantităŃii de fluid la ieşirea din conductă, pe un anumit interval de timp. De asemenea, MTU trebuie să furnizeze, pe o imprimantă separată, o descriere a stărilor alarmelor (data şi ora). Descrierea procesului pentru MTU constă în completarea unor tabele de căutare pe care aceasta să le poate utiliza oricând are nevoie să actualizeze configuraŃia procesului. După configurare MTU este capabil să utilizeze protocoalele corecte pentru fiecare caz. În Figura 2.28 sunt prezentaŃi parametri specifici pentru configurarea unui MTU. -

MTU -

ComunicaŃii RTU 1200 bps Protocol: MODBUS Timp de pornire emiŃător: 100ms

-

Imprimantă Format: A4 Alimentare: continuu Port: paralel

-

InterfaŃă operator Color VGA

Figura 2.28 Configurarea unui MTU Pentru configuraŃia radio trebuie setate mai multe elemente. MTU trebuie să specifice câte RTU sunt, identificarea fiecăruia, precum şi echipamentele periferice care sunt conectate la fiecare terminal, al fiecărui RTU. Dacă datele sunt informaŃii binare pot fi descrise de un bit. Pentru informaŃii analogice sunt cuvinte de 8, 12, 16 sau 32 biŃi. Mesajul trimis de MTU către RTU va conŃine adresa primului bit al cuvântului. Când RTU primeşte acest mesaj el va transmite informaŃia din acea locaŃie împreună cu ceilalŃi biŃi ai registrului respectiv. Odată realizată configurarea, sistemul SCADA are o imagine completă asupra procesului având posibilitatea să comunice cu operatorul, RTU şi alŃi parteneri. 2.1.1.3. Memorarea datelor Aşa cum RTU trebuie să memoreze anumite date critice (indicaŃiile aparatelor de măsură) la fel MTU trebuie să aibă capacitatea să memoreze, pentru intervale mai mari de timp, anumite tipuri de date.

Legăturile dintre MTU şi calculatoarele de la nivelurile superioare pot fi întrerupte accidental. Capacitatea de memorare a MTU se dimensionează în funcŃie de timpul maxim estimat pentru refacerea acestor conexiuni. În plus, seturi de date importante, pe baza cărora se pot face interpretări asupra evoluŃiei sistemului, trebuie memorate pe durate mai mari (luni, ani) pentru a se putea realiza reprezentări grafice ale evoluŃiei sistemului. Odată disponibile reŃelele rapide de calculatoare, datele care reprezintă istoria sistemului pot fi memorate în baze centrale de date. Memoria MTU va rămâne disponibilă pentru informaŃii vitale ale procesului, cum ar fi tabele de căutare, informaŃii de configurare.

2.1.2. Senzori, elemente de acŃionare şi cablare Elementele de bază într-un sistem SCADA sunt MTU, RTU şi comunicaŃiile. Nu mai puŃin importante sunt însă echipamentele periferice: senzori, captori, elemente de execuŃie. Aceasta atât din punctul de vedere al ponderii în preŃul total al sistemului SCADA, cât şi datorită posibilelor modificări ale procesului controlat, deci a interfeŃelor cu SCADA. Dacă ne referim la o locaŃie RTU, preŃul total al acesteia rezultă din însumarea următoarelor componente: Articol

PreŃ ($)

RTU Sistem radio Sursă neîntreruptă de energie (UPS) 24 V c.c. InstrumentaŃie Senzori Actuatoare Încălzire automată Instalare /cablare instrumentaŃie Proiectare ConcepŃie, configurare, furnizori Proiect

6.900 1.150 2.000

TOTAL

50.325

9.200 8.625 3.450 5.000 10.000 4.000

Pentru măsurarea unei aceleiaşi mărimi un traductor ce urmează a fi integrat într-un sistem SCADA (ieşire 420 mA) poate costa de 1015 ori mai mult decât un traductor care poate fi citit de un operator. La preŃul propriu-zis al traductorului se adaugă preŃul cablurilor de conectare la RTU. Acestea sunt de construcŃie specială, având mai multe straturi de protecŃii. Echipamentele periferice utilizate trebuie să fie specifice aplicaŃiei. Astfel, în domeniul energetic, senzorii, elementele de acŃionare şi cablurile trebuie să fie protejate la câmpuri electrice puternice şi tensiuni înalte; în domeniul petrolier, acestea trebuie să fie neinflamabile şi antiexplozive; în domeniul chimic, se adaugă şi cerinŃa de rezistenŃă la coroziune; în domeniul alimentar, echipamentul care vine în contact cu alimentele trebuie să nu le contamineze. Echipamentele periferice SCADA sunt scumpe atât ca preŃ iniŃial, cât şi ca întreŃinere, iar acest lucru trebuie avut în vedere la estimarea preŃului total.

2.1.3. InterfaŃa operator InterfaŃa operator este joncŃiunea dintre informaŃiile care se vehiculează între sistemul SCADA şi operator. Aceasta trebuie să faciliteze decizii rapide ale operatorului atât funcŃional cât şi din punct de vedere al întreŃinerii. Datorită uşurinŃei cu care un operator al sistemului SCADA poate controla un sistem complex de producŃie, apare necesitatea implementării unor măsuri de securitate. Accesul atât în camerele de control cât şi la consolele operator este securizat. Mai mult, pentru a evita controlul total al unui singur operator asupra întregului sistem se definesc grupuri de utilizatori ce controlează fiecare, doar părŃi ale instalaŃiei. În acelaşi timp, există mai multe nivele de securitate, organizate ierarhic. O funcŃie importantă a sistemelor SCADA este alarmarea. Aceasta reprezintă prevenirea operatorului asupra depăşirii unor parametri esenŃiali ai procesului urmărit. În procesele complexe semnalele de alarmă sunt organizate pe nivele de priorităŃi, structurate în funcŃie de gravitatea şi implicaŃiile defectului. ReacŃia sistemului SCADA este diferită pentru fiecare nivel, de la o simplă înregistrare a apariŃiei până la prevenirea cu semnale sonore.

Figura 2.29 InterfaŃa operator Pentru a evita supraîncărcarea operatorului alarmele sunt organizate şi ierarhic. Aceasta presupune ca un defect, ce în mod natural ar implica apariŃia altor alarme, să fie semnalizat printr-o singură alarmă. InterfaŃa operator trebuie să asigure şi posibilitatea urmăririi funcŃionării normale a instalaŃiei, ca şi accesul la comenzi. Dacă pentru efectuarea unei anumite manevre

complexe

sunt necesare mai multe operaŃii, efectuate într-o ordine precisă, operatorul trebuie să comande doar efectuarea manevrei. Logica operaŃiilor este asigurată la nivel local de unităŃile RTU. Operatorului i se asigură însă reacŃia sistemului (starea /efectul manevrei). Toate acestea sunt realizate într-o manieră "prietenoasă", prin ecrane grafice de tipul celor prezentate în continuare. În Figura 2.29 este prezentată schema unei instalaŃii, cu valorile actuale ale parametrilor măsuraŃi şi cu stările actuale ale elementelor comandate. Se observă existenŃa atât a elementelor cu comandă discretă (Vana101), cât şi cu comandă continuă (VLV102). Operatorul are posibilitatea de a modifica stările elementelor comandate. Pentru fiecare poate fi realizată câte o fereastră separată de configurare, aşa cum se vede în Figura 2.30. Comenzile de importanŃă deosebită trebuie reconfirmate de către operator.

Figura 2.30 Ferestre de dialog Mai pot fi specificate alte două funcŃii ale interfeŃei operator. Prima se referă la prezentarea de grafice utilizând datele din "istoria" instalaŃiei. A doua funcŃie vizează posibilitatea imprimării unor rapoarte periodice scrise, care să evidenŃieze comportarea sistemului, cum ar fi: rapoarte de alarmare, de comunicaŃii, de întreŃinere, de contorizare etc. În Figura 2.31 se exemplifică un raport de alarme.

Figura 2.31 Raport de alarme

2.1.4. TendinŃe în evoluŃia sistemelor SCADA TendinŃele de evoluŃie ale sistemelor SCADA se referă la cele trei componente principale, comunicaŃii, RTU şi MTU. În ceea ce priveşte comunicaŃiile dezvoltările din domeniul electronicii vor permite realizarea unor echipamente mai mici şi mai economice din punct de vedere al consumului de energie făcând posibilă integrarea lor, împreună cu modem-ul, chiar în RTU. Echipamentele radio pot fi completate cu subsisteme numerice care să realizeze auto calibrarea acestora rezultând o reducere a timpului de pornire a emiŃătoarelor până la ordinul sec şi deci a perioadei de scanare. Referitor la calea de comunicaŃie două sunt tendinŃele de evoluŃie. Una se referă la utilizarea sateliŃilor geostaŃionari pentru sisteme SCADA care sunt extinse pe suprafeŃe mari. Pot fi realizate staŃii de emisie portabile al căror preŃ va fi comparabil cu cel al telefoanelor mobile. A doua tendinŃă se referă la utilizarea comunicaŃiilor cu fibră optică, ce oferă avantajele unei viteze mari de transmisie, a securităŃii şi confidenŃialităŃii sporite. Acest mediu de transmisie este bine adaptat necesităŃilor de comunicaŃii din domeniul energetic. EvoluŃia unităŃilor RTU va permite creşterea flexibilităŃii acestora, configurarea pentru o anumită cerinŃă făcându-se pe bază software. Miniaturizarea şi reducerea preŃurilor calculatoarelor personale au făcut ca acestea să devină comparabile cu staŃii RTU dedicate simple. Aceasta determină realizarea de RTU bazate pe calculatoare personale cu funcŃionalităŃi variate, cum ar fi regulatoare, totalizatoare, strategii de control etc. Dezvoltările ulterioare ale unităŃilor MTU sunt focalizate pe trei planuri: îmbunătăŃirea interfeŃei operator (interfeŃe grafice, mediu windows, obiecte orientate, reprezentări grafice); creşterea autonomiei de comandă automată (sisteme inteligente autoinstruite); îmbunătăŃirea comunicaŃiei maşină-maşină (dez