Automatyka i sterowanie wgazownictwie

SKADA

Wykładowca : dr inż. Iwona OprzędkiewiczNazwa wydziału: WIMiRNazwa katedry: Katedra Automatyzacji Procesów AGH

System SCADA

• SCADA to skrót od:• Supervisory Control And Data

Acquisition

• Termin ten oznacza zdalny systemmonitorowania i nadzoru procesówtechnologicznych.

• Systemy SCADA zastępują tablicesynoptyczne stosowane w sterowaniach iposiadają wiele innych dodatkowychfunkcji.

Przykładowy pojedynczy ekran aplikacjiSCADA (Intouch):

System SCADA

• System SCADA współpracuje zawsze zurządzeniami mającymi możliwościkomunikacji cyfrowej (regulatory cyfrowe,przetworniki inteligentne) i połączonymi znadzorowanym procesem za pośrednictweminterfejsu procesowego. Są trudności zpołączeniem SCADY z mikrokontrolerami.

• UWAGA! SCADA zbiera informacje o procesiewyłącznie za pośrednictwem tych urządzeń!

• System SCADA pracuje zawsze w czasierzeczywistym, część jego funkcji (np. alarmy)musi spełniać wymagania „Hard Real Time”.

Funkcje systemu SCADA:

• Wizualizacja pracy urządzenia/ instalacji,• Uruchamianie i zatrzymywanie całej

instalacji lub jej części,• Monitorowanie i nadzór przebiegu procesu,• Wykrywanie i sygnalizacja stanów

awaryjnych,• Archiwizacja danych procesowych,• Zadawanie parametrów regulatorów

pracujących na stopniu bezpośrednim,• Sterowanie zdalne (automatyczne lub

ręczne).

System SCADA

• W typowej sytuacji różne grupy użytkownikówmają dostęp do różnych funkcji systemu.Należy tu rozróżnić przykładowo:• technologów,• automatyków,• informatyków,• kierownictwo wydziału produkcyjnego,• zarząd.

• Każda z tych grup powinna mieć dostęp do„swojej” części i nie powinna mieć dostępu doinnych.

Oferta rynkowa systemów SCADA:

• Oferta rynkowa sprzętu i oprogramowaniaSCADA jest b. rozbudowana.

• Systemy SCADA dostępne na rynku możnapodzielić na dwie zasadnicze grupy:

• „Niezależne” – produkowane przez firmynie produkujące innego sprzętu automatykii dostosowane do współpracy ze sprzętemróżnych producentów. Przykłady:

• WONDERWARE INTOUCH• CITECT,

Oferta rynkowa systemów SCADA:

• Sprzęt i oprogramowanie produkowaneprzez producentów sprzętu PLC. Są onededykowane do sprzętu określonej firmy,ale mają też możliwość współpracy zinnym sprzętem. Często jest to częśćśrodowiska konfiguracyjnego dla PLC.Przykłady:

• ProTool/Pro i WinCC (SIEMENS),• Proficy HMI/SCADA-iFIX (GE FANUC),• LabView (National Instruments).

Architektura systemów SCADA:

• Każdy system SCADA jest budowany ściślepod kątem wymagań określonegourządzenia, linii produkcyjnej lub zakładu,który ma nadzorować.

• W praktyce stosowane są systemyzarówno systemy bardzo proste(przeznaczone do współpracy np. zpojedynczym PLC) jak i rozbudowane,nadzorujące pracę całego wydziałuprodukcyjnego lub zakładu.

• Przykłady różnych architektur systemówSCADA zostaną omówione za chwilę.

System SCADA

• Podobnie, jak każdy systeminformatyczny, każdy system SCADAzawiera dwa komponenty:

• Sprzętowy,• Programowy.

• Podczas wykładu w większym stopniuzajmiemy się oprogramowaniem.

Komponenty sprzętowe SCADA

• Regulator cyfrowy lub urządzenieinteligentne: PLC, regulator PID, systemakwizycji danych, przetwornik inteligentny,itp. Zawsze jest to urządzenie mającebezpośredni kontakt ze sterowanymprocesem i otoczeniem.

• System komunikacyjny:• Sieć lub system łączności bezprzewodowej,

• Serwer do zbierania danych z procesu• Stacja robocza realizująca pozostałe

funkcje.

Komponenty sprzętowe SCADA

• W prostszych i mniejszych systemachSCADA funkcje serwera i stacji klienckiejsą zintegrowane w jednym urządzeniu:

• Komputer,• Panel operatorski.• W bardziej złożonych systemach SCADA

funkcje serwera i stacji roboczej(klienckiej) są realizowane przez różneurządzenia.

• Dedykowany sprzęt SCADA budowany jestzgodnie z wymaganiami przemysłowymi.

Prosty system SCADA

• W najprostszym przypadku system SCADAzawiera:

• sterownik PLC, system akwizycji danych luburządzenie inteligentne,

• system komunikacyjny:• port komunikacyjny,• sieć,• łączność bezprzewodowa.

• komputer, który pełni następujące funkcje:• -stacja robocza,• -serwer komunikacyjny,• -serwer danych.

Prosty system SCADA zrealizowany zużyciem panelu operatorskiego:

Łączekomunikacyjne

Prosty system SCADA zrealizowany zużyciem komputera PC:

PLC PLC

obiekt regulacji

8

sieć

PC: Windows XP+SP2,STEP-7, ProTool/Pro,Simatic Net

3

7

CP 5611

Rozbudowany system SCADA zawiera 5podstawowych poziomów (1 – poziom najniższy):

Poziom 1:Urządzenia polowe: przetworniki inteligentne,sterowniki PLC/PAC, regulatory, systemy akwizycjidanych, itp. urządzenia mające bezpośredni kontaktze sterowanym procesem i możliwość komunikacjicyfrowej.

Poziom 2:Stacje akwizycji danych z urządzeń polowych (RTU –ang. Remote Terminal Unit).

• Poziom 3:• System komunikacyjny zrealizowany z

użyciem sieci przemysłowej lub urządzeńbezprzewodowych, itp.

• Poziom 4:• Stacje operatorskie z zaimplementowanymi

aplikacjami użytkownika.

• Poziom 5:• System komputerowy na poziomie zarządu

wydziału/zakładu.

Rozbudowany system SCADA

• Objaśnienie symboli na rysunku:• IED (ang. Intelligent Electronic Device) –

„Urządzenie inteligentne” - urządzeniemające możliwość komunikacji cyfrowej,które nie jest regulatorem cyfrowym,

• RTU (ang. Remote Terminal Unit) – stacjaakwizycji danych pomiarowych

Architektury aplikacji SCADA naprzykładzie Intoucha

1. Pojedynczy komputer (najprostsza architektura)

Konfiguracja+uruchomienie

Łącze szeregowe PLC

sterowany

proces

• Aplikacja jest budowana, testowana i uruchamiana najednym komputerze oraz na tym samym komputerzejest wykonywana.

• Nie ma potrzeby stosowania sieci, połączenie SCADA-PLC jest realizowane z użyciem łącza szeregowego.

2. Architektura typu „klient”

Konfiguracja+testy

PLC

sterowany

proces

uruchomienie uruchomienie

sieć

Aplikacja jest budowana i testowana na jednejstacji, następnie kopiowana i uruchamiana napozostałych stacjach.

Wady:• Modyfikacja aplikacji wymaga wyłączenia

aplikacji, skopiowania nowej wersji iponownego uruchomienia wszystkich stacji,

• Na każdej stacji musi być osobna licencja,

Zaleta:Łatwe zapewnienie redundancji, gdyż każdastacja działa całkowicie niezależnie od innychi można dowolnie zwiększać ich ilość.Zapis danych jest też redundantny.

3. Architektura bazująca na serwerze

Serwer:Konfiguracja+Testy + zdalneuruchomienie

PLC

sterowany

proces

Zdalny dostęp Zdalny dostęp

sieć

Aplikacja jest budowana i testowana na jednymkomputerze (serwerze) oraz na tym samymkomputerze jest wykonywana, a pozostałe stacjemają do niej dostęp zdalny.

Zalety:• Nie trzeba kopiować aplikacji,• Niższe ceny licencji,• Wszystkie modyfikacje są natychmiast

widoczne.

Wady:• Trudne modyfikacje (pracujemy na jedynej

działającej wersji),• Brak redundancji,• Wszystkie stacje muszą mieć te same

parametry (np. rozdzielczości ekranów).

4. Architektura sieciowa (ang. NAD: NetworkApplication Development)

Centralnastacja:Konfiguracja+testy

PLC

sterowany

proces

uruchomienie uruchomienie

sieć

Aplikacja jest budowana i testowana nacentralnej stacji („master”), a następniekopiowana do innych, gdzie jest wykonywana.

Różnice w stosunku do (2):• licencja jest zainstalowana tylko na

centralnej stacji,• Praca stacji jest możliwa wyłącznie przy

połączeniu ze stacją „master”,• Dane mogą być archiwizowane tylko na

głównej stacji (bardzo duże obciążeniesieci!) lub na każdej stacji z osobna.

Komponenty systemu SCADA

Każdy system SCADA (podobnie jak każdy systemkomputerowy) zawiera dwa podstawowe typykomponentów:

-sprzętowe,-programowe.

Komponenty sprzętowe systemu SCADA:-sprzęt sieciowy,-serwery danych,-serwery aplikacji,-stacje robocze.

52 28

Stacją roboczą może być:1. Panel operatorski o różnychmożliwościach i złożoności

2. Komputer klasy PC (biurowy lub przemysłowy)

Komponenty programowe systemu SCADA:-oprogramowanie komunikacyjne,-środowisko uruchomieniowe,-system operacyjny,-oprogramowanie baz danych.

Każda aplikacja SCADA musi być zbudowana zwykorzystaniem odpowiedniego środowiskakonfiguracyjnego, które jest niezależną częściąoprogramowania.Zwykle i środowiska uruchomieniowe, ikonfiguracyjne muszą pochodzić od tegosamego producenta.

Oprogramowanie SCADA i jego elementy

Każde, konkretne środowisko programistyczneSCADA zawiera trzy zasadnicze elementy:

•Środowisko konfiguracyjne, umożliwiającebudowę i testowanie aplikacji (symulator).

•Środowisko uruchomieniowe („runtime”),zapewniające uruchomienie i działanieaplikacji w czasie rzeczywistym.

•Driver komunikacyjny, pozwalający narealizację komunikacji pomiędzy aplikacją iurządzeniem.

•Wersja wykonywalna jest kompilowana, ale musipracować pod nadzorem środowiskauruchomieniowego.

•Ceny wersji komercyjnych „runtime’u” mogą sięróżnić ilością zmiennych mających możliwośćkomunikacji z otoczeniem.

•Każde oprogramowanie SCADA posiada dużyzestaw driverów komunikacyjnych, któreumożliwiają łączenie go z urządzeniami różnychproducentów.

Podstawowe elementy, z których budowana jestaplikacja SCADA:

-Zmienne („Tags”),-Obiekty graficzne,-Skrypty i funkcje,- Receptury,-Archiwa.

Znaczna część aplikacji użytkownika macharakter graficzny i pogrupowana jest na„ekrany”, połączone z sobą w różny sposób.

Ogólny układ aplikacji SCADA z punktuwidzenia użytkownika:

Wewnętrzne, lokalne:Są to zmienne „wewnętrzne” aplikacji, które niemają możliwości połączenia ze zmiennymisterownika. Ich ilość zwykle nie jest limitowana.

Wejścia/wyjścia, globalne:Są to zmienne, które mają przypisane adresy wprzestrzeni adresowej urządzenia, z którym siękomunikują i ich wartości mogą być zmienianezarówno z poziomu urządzenia, jak i z poziomuaplikacji.

Zmienne („Tagi”)

Oba wymienione powyżej klasy zmiennych mogą należeć donastępujących typów:

•binarne (dyskretne),•całkowite,•rzeczywiste,•czasowe,•tekstowe,•timery,•Liczniki

Dodatkowo, w aplikacjach stosowane są także zmienneopisujące zdarzenia, awarie itp.

Jeżeli zmienne te są typu globalnego(wejście/wyjście) to każda z nich jestprzypisana do konkretnego urządzenia (np.sterownika PLC).

Podczas definiowania takiej zmiennejokreślamy następujące elementy:

1. Urządzenie, do którego zmienna jestprzypisana,2. Adres zmiennej w przestrzeniadresowej urządzeniazdefiniowanego powyżej.

• Powyższa procedura wynika z faktu, że jednaaplikacja SCADA powinna mieć możliwośćwspółpracy z wieloma urządzeniami (takimisamymi lub różnymi)

• Szczegóły konfiguracji zmiennychglobalnych są zależne od konkretnegośrodowiska programowego i sprzętu.

Zmienne lokalne i globalne mogą też miećprzypisane pewne dodatkowe atrybuty,ułatwiające budowę aplikacji. Przykładowomogą to być:

-Wartości początkowe,-Zakresy dopuszczalnych wartości,-Alarmy różnych typów,-przypisanie zmiennej do archiwum.-częstotliwość odczytu/zapisu (tylkozmienne globalne).

Atrybuty te są definiowane podczaskonfiguracji zmiennych.

Obiekty graficzne

W oprogramowaniu SCADA stosuje się dużo różnychelementów graficznych. Zaliczamy do nich:• Okienka wejściowe (do wprowadzania wartości

zmiennych),• Okienka wyjściowe (do wyświetlania wartości

zmiennych),• Elementarne figury geometryczne,• Przyciski,• Przełączniki,• Lampki,

Przełącznik:

Przycisk i lampka kontrolna:

Przykładowy ekran aplikacji – mieszalnik(ProTool):

52 Metody Optymalizacji 42

W przypadku, gdy aplikacja SCADA mapracować na panelu operatorskim zkonfigurowalną klawiaturą, jest możliwośćprzypisania przycisków w aplikacji do„rzeczywistych” przycisków dostępnych napanelu.

Dalsze elementy graficzne:• Suwaki,• Bargrafy,• Wskaźniki analogowe różnych typów,• Gotowe elementy graficzne reprezentujące np.

różne części instalacji,• Pola tekstowe do tworzenia etykietek, opisów, itp.

Suwak:

Bargraf: Wskaźnik analogowy:

Wszystkie elementy tychobiektów są definiowanepodczas ich konfiguracji.

Przykład – gotowe zbiorniki i kotły:

• Trendy (Intouch):

Trend bieżącySłuży do wyświetlania bieżącego przebieguokreślonej zmiennej.Trend historycznySłuży do wyświetlania przebiegu określonejzmiennej w zadanym przedziale czasowym zprzeszłości.

Trend historyczny wykorzystuje dane pobieranez archiwum.

Wyświetlanie alarmów (Intouch):

Wyświetlanie alarmów (ProTool):

52 Metody Optymalizacji 51

Przykładowy gotowy ekran (Intouch):

Każdy z elementów graficznych może być powiązany zokreślonymi zmiennymi aplikacji.

Powiązanie elementów graficznych ze zmiennymi jeststosowane do:• Animacji grafiki z użyciem tych zmiennych,• Zmiany wartości zmiennych przez użytkownika.

Dodatkowo, elementy graficzne mogą być powiązanez innymi elementami aplikacji, np. funkcjami lubskryptami.

Powiązanie elementów graficznych zezmiennymi i innymi elementami aplikacji

Obiektgraficzny

Typzmiennej

Przykładowe działanie

Przycisk,przełącznik

BOOL Zmiana wartości zmiennejbinarnej w aplikacji lub wsterowniku PLC przezużytkownika. Możliwe różneopcje.

Suwak INT Zmiana wartości zmiennej typuINT w zadanym zakresie.

Bargraf,wskaźnikanalogowy

INT Wyświetlanie wartości typuINT.

Lampka BOOL Świecenie w różnych kolorachw zależności od wartościzmiennej.

Obiektgraficzny

Typzmiennej

Przykładowe działanie

Okienkowejściowe

INT,REAL,STRING,TIME

Przypisanie wartości wpisanejprzez użytkownika dozmiennej.

Okienkowyjściowe

INT,REAL,STRING,TIME.

Wyświetlenie wartościzmiennej w okienku.

Obiektgraficzny

Typzmiennej

Przykładowe działanie

Elementarnafigurageometryczna

BOOL,INT

Różne akcje w zależności odtypu zmiennej:BOOL – działanie takie jaklampka,INT :1. zmiana koloru wypełnienia

odcieniami w zależności odwartości zmiennej

2. 2.zmiana wysokościwypełnienia w danymkolorze.

3. Zmiana rozmiaru obiektu,4. Zmiana położenia obiektu

na ekranie.

Skrypty i funkcje

Skrypty i funkcje są elementamioprogramowania wykonującymi różne operacjena zmiennych: operacje obliczeniowe, zapis iodczyt do archiwum, itp.

Są one pisane z użyciem zestawu instrukcjicharakterystycznego dla danego środowiskalub np. z użyciem języka Visual Basic.

Wykonanie skryptu/funkcji może byćaktywowane w różny sposób.

Metody aktywacji skryptów/funkcji:• Jednorazowo podczas startu lub zatrzymania

aplikacji,• Cyklicznie podczas pracy aplikacji (w sposób

ciągły lub z zadanym okresem próbkowania),• Z użyciem przycisku – różne opcje:

-przy naciśnięciu,-przy zwolnieniu,podczas trzymania wciśniętego

• Przy zmianie wartości określonej zmiennej,• Przy wystąpieniu alarmu/ostrzeżenia.

Archiwa i bazy danych

• Archiwizacja różnych danych związanych zprowadzeniem procesu jest jednym zfundamentalnych zadań każdej aplikacjiSCADA.

• Dane procesowe są archiwizowane wtypowych formatach, np. *csv.

• Szczegóły związane z tworzeniem archiwówsą różne w każdym środowiskuprogramowym, natomiast pewne ogólnezasady są wspólne.

Przykład – model archiwizacji wProTool/Pro:

Archiwizowane dane mogą być gromadzone:W pojedynczym pliku *.csv,W bazie danych typu:· MS Data Engine 97 and 2000· MS Access 97 and 2000· MS SQL Server 7.0 and 2000Proces archiwizacji może być uruchamiany w różnysposób, podobnie, jak wykonanie wszystkich innychfunkcji:• cyklicznie,• po aktywacji np. przyciskiem,• po zmianie wartości określonej zmiennej.

Receptury

• Receptury są stosowane przy wytwarzaniuproduktów, które są zestawiane zpojedynczych składników w różnychproporcjach i w zależności od proporcji tychsamych składników wejściowych możemyotrzymać różne produkty.

• Receptura ma postać rekordu danych, wktórym są opisane poszczególne składnikioraz ich ilości.