Mašinski fakultet Kragujevac Katedra za Proizvodno mašinstvo Smer:Industrijski inžinjering Predmet:CIM sistemi
SCADA SISTEMI
Profesor: dr Miladin Stefanović
Student : Nikola Savić 73/2007
Kragujevac, Februar 2010.
SADRŽAJ: Uvod Istorijski razvoj SCADA sistema Koncept SCADA sistema Elementi SCADA sistema Merna oprema i izvršni organi Udaljeni U/I moduli Udaljene stanice Sistem za komunikaciju Centralna stanica Arhitektura SCADA sistema SCADA sistemi integracija SCADA u integrisanom DMS VT μSCADA Zaključak
2
UVOD
SCADA (engl. Supervisory Control And Data Acquisition) predstavlja sistem za merenje, praćenje i kontrolu industrijskih sistema. Svaki proces u industriji koji ima smisla automatizovati je odličan kandidat za primenu SCADA sistema i mreža.SCADA je skraćenica koja označava nadzornu kontrolu i prikupljanje podataka.SCADA se odnosi na sistem koji prikuplja podatke iz raznih senzora u fabrici,a zatim šalje ove podatke za centralni računar koji onda upravlja i kontroliše podacima.
3
ISTORIJSKI RAZVOJ SCADA SISTEMA
Ovi sistemi, postoje u raznim oblicima od 60-tih godina, a od 90-tih godina 20. veka doživljavaju veliku ekspanziju sa pojavom sve bržih i efikasnijih računarskih i mikrokontrolerskih uređaja. Mogu se upotrebiti od npr. jednostavnog praćenja temperature, vlažnosti vazduha, pritiska, do npr. veoma kompleksnog praćenja i kontrole proizvodnih procesa fabrike ili saobraćaja na železnici. SCADA je izraz koji se koristi raznim oblastima industrije kao npr.elektroprivreda, vodoprivreda, masovni transport sistemi itd. Najprostiji primer SCADA sistema je običan PC računar koji preko akvizicioneupravljačke kartice prima podatke, obrađuje ih, formira informacije o procesu i na taj način vrši nadzor, ali i upravljanje ako je potvrđeno na tom nivou. Programska podrška za ovaj model SCADA sistema se svodi na podršku PC bus magistrali. Kompleksniji primer SCADA sistema je mreža računarom podržanih radio veza upravljanih terminalom TU( Terminak Unit) koji komuniciraju sa računarskim centrom. I najkompleksniji primer scada sistema je mreža SCADA sistema koja funkcioniše po principu server-server, server-klijent-WASCAD sistemi.
KONCEPT SCADA SISTEMA SCADA mreža se sastoji od jednog ili više MTU (engl. Master Terminal Unit)koji su zapravo računarske stanice opremljene odgovarajućim softverom i operativnim sistemom. Ove stanice operatori koriste za praćenje i kontrolu jedne ili više RTU (engl. Remote Terminal Unit). RTU je takođe računarski uređaj koji je obično namenjen za rad u industrijskim uslovima ili čak u ekstremnim kao što je npr. okruženje u vasioni. Njegov zadatak je da prikuplja informacije sa raznih digitalnih i analognih senzora i da prosleđuje komande uređajima koji na neki način menjaju stanje upravljanog sistema (razni step motori, generatori, releji i sl.).
4
Često se za njihovu realizaciju koriste razni tipovi PLC (engl. Programmable Logic Controller).Za prenos podataka između MTU i RTU se koristi neki od standardnih ili specijalizovanih medija kao što su Ethernet, Modbus, ProfiNET...
Optički kablovi su idealni za realizaciju SCADA mreže jer nude potpunu zaštitu od emisije raznih zračenja koja bi mogla da dovede do prenosa pogrešnih informacija. U idealnom SCADA sistemu svi elementi su redundantni što dostupnost i pouzdanost sistema podiže na visok nivo.
Slika 1.-SCADA sistem
Velika je raznolikost u SCADA implementacijama i dešava se da se funkcije MTU, RTU i ostalih delova sistema prepliću tako da je teško razlučiti specifične komponente. Ipak jedan od delova tzv. HMI (engl. Human Machine Interface) je svakako veoma lako prepoznati jer je njegova uloga da prezentuje informacije korisnicima SCADA pa je to najčešće računar sa softverom koji na jasan način prikazuje sve informacije o sistemu i realizuje njegovu upravljivost.
5
ELEMENTI SCADA SISTEMA
SCADA sistemi obuhvataju širok spektar opreme, podsistema i tehničkih rešenja koji omogućavaju prikupljanje i obradu podataka o procesima (udaljenim sistemima), i reagovanje na adekvatan način. Upravljanje procesima, u opšem slučaju, može biti automatsko ili inicirano od strane operatera.
Slika 2.-elementi SCADA sistema SCADA sistem pripada klasi složenih hijerarhijskih sistema sa nekoliko izdvojenih celina: • • • •
Merna oprema i izvršni organi, Udaljeni U/I moduli, Udaljene stanice, Sistem za komunikaciju, i Centralna stanica
6
MERNA OPREMA I IZVRŠNI ORGANI Merna oprema i izvršni organi obuhvataju skup opreme instalirane na odgovarajućim uređajima na samom procesu koji SCADA sistem nadgleda i kojim upravlja.Merna oprema obuhvata različite instalirane senzore koji mere fizičke veličine (sila, temperatura, relativna vlažnost, dužina, broj obrtaja, brzina, nivo, slanost, intenzitet svetlosti i dr.) i pretvaraju ih u električne signale tj. u oblik koji je čitljiv udaljenim stanicama. Pomoću ove opreme se dobijaju informacije o funkcionisanju procesa i na osnovu njih se može uticati na poboljšanje poslovnih performansi.Izvršni organi su uredjaji koji sprovode odgovarajuće korekcije i upravljačke akcije.
UDALJENI U/I MODULI Udaljeni U/I (ulazno/izlazni) moduli su instalirani na pojedinačnim elementima opreme i predstavljaju vezu između perifernih elemenata i računarskog sistema, koja se ostvaruje odgovarajućim sistemom komunikacija. RTU je jedan kraj scada sistema koji se nalazi u svakom nadzornom objektu distribitivne mreže. Ulazne veličine iz postrojenja mogu biti: -Analogne ulazne veličine-kontinualne električne i neelektrične veličine iz procesa (naponi, satruje, temperature itd.) -Digitalne(jednostruke) ulazne veličine koje govore o statusima elemenata distributivne mreže
(statusi
uključeno/isključeno,
otvoren/zatvoren,
granični
položaj,alarmi,
upozorenja itd.) -Brojačke ulazne veličine-kvantitativni podaci režima rada distributivne mreže (protok energije kroz vod ili transformator, vreme itd.)koji se uvode kao povorka digitalnih naponskih signala, programski broje i simuliraju.
7
UDALJENE STANICE
Udaljene stanice su nezavisni mikroprocesorski uređaji koji obezbeđuju komunikaciju između merne opreme, izvršnih organa i centralne stanice. Podaci sa merne opreme se prenose ka centralnoj stanici a iz centralne stanice se prenose upravljačke komande ka izvršnim organima. Udaljena stanica nadzire i status procesne opreme i signalizira odgovarajuće alarme.Udaljene stanice su obično programabilni logički kontroleri PLC , koji poseduju aplikativni softver, mikroprocesor i komponente za kontrolu aktiviranja nekog uređaja. PLC su specijalizovani računari čiji operativni sistem omogućava da se jednostavno i u realnom vremenu obavi akvizicija velikog broja podataka, njihova osnovna obrada i prenos rezultata obrade na izvršne organe.
SISTEM ZA KOMUNIKACIJU
Sistem za komunikaciju obezbeđuje prenos informacija između udaljenih stanica i dispečerskog centra. Komunikacija između udaljenih stanica i centralne stanice, kao i između samih centralnih stanica, odvija se preko komunikacionog medijuma u zavisnosti od mogućnosti i zahteva korisnika. Lokalne mreže se zasnivaju na različitim topologijama (otvorene - magistrale, zatvorene – prsten, i point to point – zvezde). Moderni SCADA sistemi kombinuju različite komunikacione medijume i topologije u cilju formiranja snažnog informatičkog SCADA čvora.
8
CENTRALNA STANICA
Centralna stanica predstavlja centralno mesto SCADA sistema. Obično je opremljena PC računarom ili nekim snažnim računarskim sistemom na kome se realizuje nadzor i upravljanje procesom. Ti računari su podržani aplikacijom tipa MMI (engl. Man Machine Interface) koja omogućava interaktivan dijalog operatera sa računarom za konkretan sistem nadzora i upravljanja. Osnovu za donošenje odluka i upravljanje na ovom nivou čine podaci koji se prikupljaju sa udaljenih stanica i to periodično, inicirano određenim događajima ili na zahtev operatera.Svi podaci se čuvaju u bazi podataka odakle se radi njihova prezentacija i generisanje upravljačkih akcija.Na centralnoj stanici se definišu i prenose referentni signali, zadaju se recepture, sinhronizuju funkcije pojedinih podsistema, određuju reakcije na pojedine alarme, optimiziraju algoritmi itd.Jedna od osnovnih karakteristika SCADA sistema je centralizacija najprioritetnijih funkcija na nadzorno upravljačkoj jedinici. Naime, programska podrška u udaljenim stanicama osigurava akviziciju podataka i lokalno upravljanje procesom do nivoa koji se zadaje sa centralne stanice, ali se iniciranje svih kontrolnih funkcija i krajnja verifikacija njihovog izvršenja vrši u centralnoj stanici.
9
ARHITEKTURA SCADA SISTEMA
Postoje različiti tipovi arhitekture SCADA sistema, a neki od njih su: • • •
Centralizovani Distribuirani WASCAD sistemi
Centralizovani sistem podrazumeva skup mernih uređaja i opreme koji su direktno povezani sa centralnim računarom, koji prima i obrađuje informacije, radi nadzor i upravlja procesom. Distribuirani SCADA sistem obuhvata skup udaljenih stanica koje su lokalnom radio mrežom povezane sa upravljačkim centrom, odakle se realizuje nadzor i upravljanje procesima. WASCAD sistemi podrazumevaju geografski distribuirane SCADA sisteme koji funkcionišu po principu server–server ili server–klijent. Razmenom podataka između dva ili više nezavisnih SCADA sistema koji kontrolišu različite segmente istog tehnološkog procesa ili privrednog sistema, stiče se celovita slika o njegovom stanju. WASCAD je orijentisan na upravljanje kompleksnim poslovnim sistemima kod kojih je akcenat na hijerarhijskoj strukturi i superviziji procesa, zbog složenosti procesa i mogućnosti grešaka u komunikaciji.SCADA sistemi imaju veoma veliku primenu u različitim poslovnim sistemima i različitim oblastima, svuda gde je neophodno nadgledati i upravljati velikim skupom procesa. Primeri primene su u elektro-energetskim sistemima, vodoprivredi, industrijskim kompleksima, proizvodnji, saobraćaju i transportu, i dr. Struktura i arhitektura SCADA sistema zavise od konkretnih procesa i zahteva realnog poslovnog sistema.
10
ZADACI SCADA SISTEMA Osnovni zadaci scada sistema su: • • • • • •
vizuelizacija procesa HMI (Human Machine Interface) - zadavanje parametara rada sistema protokolisanje događaja protokolisanje alarma i alarminh poruka arhiviranje podataka prikazivanje trendova
Bilo da se radi o jednoj PC radnoj stanici sa SCADA aplikacijom, SCADA serveru sa jednim ili nekoliko klijenata ili o redundantim serverima ili mreži SCAD računara, INDAS će pronaći optimalno rešenje za SCADA sistem, u skladu sa potrebama aplikacije i korisnika. SCADA aplikacija može da bude dostupna ostalim korisnicima (onima koji nisu operateri koji nadgledaju i upravljaju procesom) korišćenjem Web Servera na SCADA računaru i običnog Intermnet Explorera na računarima klijenata.
Ovakav pristup može da bude obezbeđen samo unutar LAN mreže korisnika, ali i da se učini dostupnim za pristup putem Interneta, korisnicima kojima je takvo pravo dodeljeno.IT industrija je poslednjih godina razvila tehnologije koje obezbeđuju unificiran prenos podataka, brze i univerzalne prenosne puteve i nisku cenu opreme. SCADA sistemi-prednosti: • • • • • •
Kontrolna jedinica funkcionise kao PLC,RTU ili DCU. Kontrolna jedinica vrši merenje i kontrolu podataka nezavisno od centralnog računara. PID kontrola se nastavlja čak i ako se izgubi kontrola sa glavnim računarom. Kontrolna jedinica ima mnogo tipa kanala za merenje vecine na raspolaganju korisnih senzora. Sistemi su kompatibilni sa našim ili drugim proizvođačima HMI softverskih paketa. Upravljačke jedinice imaju sopstvene UPS uređaje tokom gubitka električne energije, one i dalje rade i vrše određena merenja i čuvanje tih podataka. 11
• •
Sistem se lako proširava,dodaju se nove stranice ili se proveravaju senzori na već postojećim stranicama. Upravljačke jedinice imaju širok radni opseg rada,radna teperatura varira i radi u raznim sredinama.
SCADA SISTEM INTEGRACIJA SCADA je objedinjenje softverskih programa i hardverskih komponenti,koristi se za kontrolu procesa i prikupljanje podataka u realnom vremenu sa različitih lokacija. Koristi se u različitim granama industrije: avio, automobilska industrija, termoelektranama, preradi nafte i gasa,telekomonikacijama,transportu čiste vode (vodovodi), i upravljanju otpadom, energetika i farmaceutska industrija, termička obrada i mnoge druge. SCADA sistemi obuhvataju hardverske i softverske komponente.Hardver okuplja i skladisti podatke u računar koji ima instaliran SCADA softver.Računar obrađuje ove podatke i predstavlja ih blagovremeno.SCADA ih evidentira i beleži u datoteke smeštene na hard disku ili ih šalje na štampač.Dolazi do zvučnog upozorenja kada se pojavi neka greška.
12
Korišćenje laboratoriske opreme učesnici su povezani sa računarom na principu automatizacije kontrole.Ovakvom kontrolom su povezani sa infrastrukturnim sistemima kao što su električna mreža,voda,kanalizacioni sistemi,kao i skladišta gasa i nafte.Oni su takođe sastavni u izgradnji kontrole kao što su grejanje,ventilacija i hlađenje.
SCADA U INTEGRISANOM DMS Osnovna uloga SCADA sistema uintegrisanom DMS je: 1.obezbeđivanje i pregled trenutnih i arhiviranih merenih vrednosti elemenata distributivne mreže uvedenih u sistem, 2.obezbeđivanje i pregled trenutnih statusa rasklopne opreme uvedene u sistem, 3.obezbeđivanje i pregled alarma,koji mogu biti i trigeri („okidači“)za izvršavanje pojedinih analitičkih funkcija SAF, 4.obezbeđivanje i pregled pogonskih događaja (hronološki redosled događaja-HRD lista) u integrisanom delu DMS-a. Izvršavanjem navedenih funkcija SCADA sistema ostvaruju se dve osnovne funkcije nad distributivnom mrežom: 1.NADZOR-podrazumeva se stalan uvid u tokove električne energije,odnosno u režime distributivne mreže(naponi, struje, snage, učestanosti itd.) 2.KOMANDOVANJE-podrazumeva se komandovanje komutacionom opremom,što za posledicu ima promene topološke strukture mreže. komandama se kroz sistem mogu menjati i veličine režima distributivne mreže (promena statusa regulacione sklopke napojnog transformatora 110/x kV ili uključivanje/isključivanje sklopke)
VT μSCADA VT μSCADA je softver zadužen za očitavanje merenja relativne vlažnosti i temperature sa senzorima tipa VT i VTS, arhiviranje izmerenih vrednosti i njihovo prikazivanje, pamćenje alarmnih stanja i alarmiranje zatim za nadzor na lokalnom računaru ili za rad u lokalnoj mreži preko interneta. VT μSCADA uz odgovarajuću opremu (senzore, kablovsku mrežu i napajanje) čini zaokružen sistem za dugoročno merenje relativne vlažnosti i temperature. Sistem je zastupljen u mnogim oblastima a najvažnije su: 13
• • • • •
Prehrambena industrija Hemijska industrija Medicina Farmacija Skladišta
Očitavanje trenutno izmerenih vrednosti se vrši u realnom vremenu na displeju PC računara na kome se izvršava softver. Takođe, moguće je instalirati klijent verziju VT μScada na jednom ili više udaljenih računara koji su povezani preko TCP/IP mreže, radi očitavanja merenja sa udaljenih pozicija.
Slika 5.- VT µScada radi sa mrežom od 255 ili čak sa 510 senzora Zapis merenja se vrši u regularnim intervalima. Korisnik sa administratorskim pravom može da postavi dužinu intervala merenja u opsegu od 30 sekundi do 30 minuta ali na zahtev budućeg korisnika ovaj opseg može biti proširen. Podaci se zapisuju u dve vrste fajlova: u binarnom, koji onemogućava promenu rezultata (falsifikovanje) i u tekstualnom spreadsheet formatu koji omogućava obradu izmerenih vrednosti u softveru za tabelarne kalkulacije, kao što je Microsoft Excel. Zapisi se mogu očitati na grafiku, i odštampati u obliku tabele ili grafika, i to isključivo zapis iz binarnog fajla.
Slika 6.-Mapa merenja vlažnosti i temperatura u visokoregalnom skladištu za čuvanje lekova sa preko 200 merenja
14
Alarmna stanja se zapisuju u odgovarajuće fajlove prema datumu i vremenu. Očitavanje snimljenih alarmnih stanja se vrši tabelarno, pri čemu korisnik može da vidi vreme ulaska i izlaska iz alarmnog stanja, srednju i maksimalnu vrednost merenja tokom trajanja alarma
VT μScada omogućava upotrebu korisničkog sistema pristupa, pri čemu je moguće postaviti jednog admini-stratora, koji ima pristup svim opcijama programa i maksimalno četiri korisnika, koji mogu pregledati i koristiti arhivu merenja i alarma. Osoba bez korisničkog naloga može gledati samo trenutna merenja. Samo administrator ima pravo da promeni korisničko ime ili lozinku. Svaki pristup bilo kog korisnika, osim gledanja trenutnih merenja se zapisuje.
Slika 8.-Pregled dijagrama sa 60 merenja vlažnosti i temperature
Slika 9.- VT µScada podržava 3D grafiku koja se može prikazati u dinamičkom modu sa brzim promenama u vremenu Moguće je isporučiti i verziju VT μScada-CFR11 koja sve zapise vrši u temper-proof formatu. Ovaj zapis je za određene primene, kao što su medicina ili farmacija zahtevan zakonom. Format zapisa je takav da, ako bilo ko pokuša da promeni sadržaj zapisa, on postaje neupotrebljiv. Ovo je zakonski priznata zaštita od falsifikovanja rezultata merenja. 15
Primena softverskog paketa VT μScada-CFR11 se preporučuje u procesu proizvodnje i čuvanja hrane i lekova. Kada je potrebno da se mreža senzora priključi na PLC koristi se softverski alat VT Protokol, dokumentovani kod za komunikacije između senzora i bilo kog PLC-a. VT Protokol koristi komande i odgovore preko ASCII koda, što omogućava jednostavno testiranje mreže iz bilo kog terminal programa
ZAKLJUČAK
Sistem procesnog upravljanja čine: proces koji se upravlja, njegova oprema i čovekoperator,i sve ovo kratko nazivamo SCADA sistem. Proizvodni procesi, kao objekt nadzora i upravljanja SCADA sistema, često su prostorno udaljeni u okviru industrijskog postrojenja, ili u mnogo širem geografskom području. Stoga se struktura SCADA sistema odlikuje prostornom distribucijom autonomnih računarskih komponenti, koje su komunikacionom mrežom spregnute u jedinstven sistem. Razmenom poruka između njih ostvaruje se međusobna kooperacija u ostvarenju zajedničkog cilja. Zato se SCADA sistemi svrstavaju u distribuirane računarske sisteme. Obzirom na visoke troškove prekida rada procesnog sistema usled eventualnog otkaza računarskih komponenti, važan zahtev koji SCADA sistem mora zadovoljiti je postizanje maksimalne pouzdanosti i raspoloživosti.
16
LITERATURA: http://www.mikroe.com/sr/magazine/1broj/1broj1.htm http://www.beljic.net/index2.php?option=com_content&do_pdf=1=37 http://www.google.rs/url? sa=t&source=web&ct=res&cd=3&ved=0CBEQFjAC&url=http%3A %2F%2Fwww.mikroe.com%2Fsr%2Fmagazine%2F2broj %2F2broj4.htm&rct=j&q=scada+sistemi&ei=mahwSKpI46s4QaGk9jKCQ&usg=AFQjCNH6hsRxsCxYcNP7ZIJ8x6OJqXe A6Q http://www.google.rs/url? sa=t&source=web&ct=res&cd=8&ved=0CCIQFjAH&url=http%3A %2F%2Fwww.indas.rs%2Fmain.php%3Flang%3Dsr%26page %3Dsistemi%2Faplikacije %2Fscada&rct=j&q=scada+sistemi&ei=mahwSKpI46s4QaGk9jKCQ&usg=AFQjCNGaRLwZugFdtWshp5rIoATo_E XibQ http://www.tehnickaue.edu.rs/srp/cas/?conid=2641 http://www.google.rs/url? sa=t&source=web&ct=res&cd=7&ved=0CBkQFjAG&url=http%3A %2F%2Fwww.scribd.com%2Fdoc %2F25996319%2FAUTOMATIZOVANISISTEMI&rct=j&q=scada+sistemi+znacaj&ei=PDJxS5nmMoWs4Qa px9HbCQ&usg=AFQjCNHcxH161G5_0WNxQjr2tDm-0on1AA
17
