DCS i SCADA

W1: Informacje ogólneWstęp -przegląd dziedziny

Sebastian Plamowski

Informacje ogólne - prowadzący

dr inż. Sebastian Plamowski (wykład, laboratorium DCS)

pok 567, tel. 782 600 179

Sebastian.Plamowski@emerson.com; S.Plamowski@ia.pw.edu.pl

mgr inż. Andrzej Wojtulewicz (laboratorium SCADA)

A.Wojtulewicz@ia.pw.edu.pl

Informacje ogólne - wykładWykład 30h (15x2h)Celem przedmiotu jest przedstawienie zagadnień związanych ze współczesnymi rozproszonymi systemami sterowania (ang. Distributed Control Systems, DCS) oraz z systemami sterowania nadrzędnego i archiwizacji danych (ang. Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA).

Wykład podzielony jest na dwie części, każda kończy się kolokwium.

Część pierwsza, wprowadzająco-praktyczna, ma na celu przygotowanie studentów do zajęć laboratoryjnych. Przedstawiane są funkcje systemów DCS i SCADA, ich architektura oraz rola i miejsce w przedsiębiorstwie. Omówione są języki programowania oraz zasady budowy struktur regulacji. Studenci są zapoznawani z narzędziami oraz metodami projektowania aplikacji przemysłowych oraz dostępnymi bibliotekami algorytmów.

W trakcie drugiej części wykładu przedstawiany jest sprzęt oraz standardy komunikacyjne, a także aspekty bezpieczeństwa oraz przykłady zastosowań systemów DCS i SCADA w dużych obiektach przemysłowych.

Informacje ogólne - wykładW1: (05.10) Wstęp - przegląd dziedziny. Rola i miejsce systemów sterowania w informatycznej strukturze przedsiębiorstwa. Funkcje systemów, relacje i powiązania.

W2: (12.10) Klasyczny system sterowania a system rozproszony. Zadania systemu rozproszonego. Elementy systemu DCS i SCADA. Przykładowe systemy DCS i SCADA oraz ich cechy. Analiza podobieństw i różnic pomiędzy systemami DCS i SCADA.

W3: (19.10) [C1-C10] Języki programowania, budowa struktur regulacji. Omówienie standardowych języków programowania sterowników i kontrolerów przemysłowych.

W4: (26.10,) [C1-C5] Narzędzia w systemie DCS OVATION. Przemysłowe struktury regulacji. Algorytmy w systemie DCS OVATION.

W5: (09.11) Projekt automatyki – proces wytwórczy na przykładzie bloku energetycznego.

W6: (16.11) [C6-C10] MAPS SCADA, instalacja, dostęp do aplikacji. Symulatory, pierwsze kroki w MAPS, skrypty, grafiki.

W7: (23.11) Kolokwium 1.

W8: (30.11) [C6-C10] Projekt aplikacji w sterowniku MITSUBISHI, narzędzia.

Powtórzenie do Kolokwium.

Informacje ogólne - wykładW9: (7.12) Sprzęt: komputery przemysłowe, sterowniki programowalne PLC, moduły I/O. Warstwa realizacji sterowania, architektura sprzętowa. Budowa kontrolera oraz architektura oprogramowania. Systemy operacyjne.

W10: (14.12) Sieć komputerowa a sieć przemysłowa (2h). Sieciowe standardy komunikacyjne sieci przemysłowych: Modbus, CAN, MPI, Fieldbus Foundation, Profibus, Industrial Ethernet, Profinet, HART, ASi. Sprzęt sieciowy.

W11: (21.12) Przegląd systemów DCS i SCADA - rynek. Kierunki rozwoju systemów DCS i SCADA. Przykładowe zastosowanie systemów DCS i SCADA w dużych i rozległych obiektach przemysłowych.

W12: (4.01) Bezpieczeństwo i cyberbezpieczeństwo w systemach przemysłowych. Powtórka przed kolokwium.

W13: (11.01) Kolokwium 2.

W14: (18.01) Kolokwia poprawkowe.

W15: (25.01) Termin rezerwowy

Informacje ogólne - ćwiczenia

Ćwiczenia 30h (10 spotkań x 3h) Wt 8:15-11:00 i Pt 16:15-19

Ćwiczenia podzielone zostaną na 2 cykle ćwiczeń: DCS (Ovation) i SCADA.

DCS SCADA

C1 (3h): sterowanie binarne [5p] C6 (3h): sterowanie binarne [5p]

C2 (3h): sterowanie ciągłe i wizualizacja [5p] C7 (3h): sterowanie ciągłe i wizualizacja [5p]

C3,4,5 (9h): oprogramowanie stanowiska termicznego [15p] C8,9,10 (9h): oprogramowanie stanowisk INTECO [15p]

Informacje ogólne - warunki zaliczeniaW trakcie semestru będą przeprowadzone dwa kolokwia punktowane w skali 0-25 pkt., 50 pkt. można zdobyć z zajęć laboratoryjnych. Warunkiem zaliczenia jest uzyskanie w sumie co najmniej 50 pkt. na 100 możliwych.

Informacje ogólne - literaturaPodstawowa:

• Instrukcje użytkownika systemu DCS OVATION firmy Emerson.

• Instrukcje użytkownika systemu SCADA MAPS firmy Mitsubishi

• Roman Kwiecień, "Komputerowe systemy automatyki przemysłowej", Wydawnictwo Helion, Gliwice 2013.

Uzupełniająca:

• P. Tatjewski: Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych, struktury i algorytmy. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2016.

Podział na zespołyWtorek 8:15-11:00Z1: P. Chachuła, Onuoha, M. GmerskiZ2: Poturała, Konieczka, DolicherZ3: Grochowina, Zgorzelski, K. ChachułaZ4: Guliński, Sikora, WinnickiZ5: Kuchenbecker, Bednarski, FijałkowskiPiątek 16:15-19Z6: Stolarz, Wilnicki, GruszczyńskiZ7: Czajkowski, Bocheński, E. Gosk Z8: Dudkiewicz, Roszkowski, R. WojtasZ9: Borowski, Kozłowski, Kurpiewski (ochotnicy!)

DCS i SCADA

Rola i miejsce systemów DCS i SCADA w strukturze przedsiębiorstwa

Sebastian Plamowski

DefinicjeDistributed Control System (Rozproszony system sterowania) -system odpowiedzialny za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego.

Supervisory Control And Data Acquisition (System nadzorujący i zbierający dane) - system odpowiedzialny za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego.

DCS = SCADA ?

DefinicjeSterowanie: celowe oddziaływanie (wpływanie) na przebieg procesu. Oddziaływanie odbywa się poprzez zmienne sterujące (MV: ManipulatedVariables).

Zakłócenia: sygnały pozostające poza kontrolą, które zakłócają przebieg procesu (DV: Disturbance Variables). Zakłócenia dzielą się na mierzalne (i te są nazywane DV) i niemierzalne typu: szum, nieznane niemierzalne interakcje (oznaczane zwykle d)

Sygnały procesowe: sygnały procesowe, określające przebieg procesu (CV Controlled Variables, PV Process Variables)

Wartości zadane: sygnały (stałe) określające wartości do których mają dążyć wartości sygnałów procesowych (STPT: Setpoints)

DefinicjeSterowanie dzielimy na sterowanie:

• Ręczne – realizowane przez człowieka

• Automatyczne – realizowane za pomocą odpowiednich urządzeń

Które sterowanie jest bardziej afektywne, jakie są wady i zalety?

Który typ sterowania umożliwiają systemy DCS/SCADA?

DefinicjeSterowanie automatyczne dzielimy na sterowanie w:

• Układzie otwartym

• Układzie zamkniętym

Definicje• Sterowanie w układzie otwartym (ręczne lub automatyczne)

polega na takim nastawie sygnału sterującego MV , aby znając charakterystykę obiektu i przewidując możliwość działania nań zakłóceń, otrzymać na wyjściu pożądaną wartość PV.

• Sterowanie w układzie zamkniętym (ręczne lub automatyczne) różni się od sterowania w układzie otwartym tym, że człowiek lub regulator otrzymują dodatkowo poprzez sprzężenie zwrotne informacje o stanie wielkości wyjściowej procesowej PV. Informacja ta (odczytana z miernika lub podana w postaci np. napięcia do regulatora) jest używana do korygowania nastaw wielkości sterującej MV.

Kiedy stosować układ otwarty a kiedy zamknięty?

DefinicjeZalety zamkniętych układów regulacji:

• parametry procesu są utrzymywane na żądanym poziomie z określoną dokładnością,

• korekcje zakłóceń w procesie są wprowadzane automatycznie,

• procesy niestabilne mogą zostać ustabilizowane.

Układ z otwartą pętlą regulacji jest lepszym rozwiązaniem, gdy:

• priorytetem są niskie koszty układu regulacyjnego,

• wyjście regulatora zmienia się rzadko lub wcale (np. niektóre pompy chłodzące),

• nie jest możliwy pomiar wielkości regulowanej,

• w układzie regulacji występują uszkodzone elementy, takie jak zacinający się zawór, nieskalibrowany przetwornik itp.,

• rzadko występują zakłócenia procesu.

Definicje• Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi podstawowy mechanizm

samoregulacyjny. Ma ono za zadanie utrzymanie wartości jakiegoś parametru na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek zakłócenia powodujące odchyleni wartości parametru od zadanej wartości w którąkolwiek stronę wytwarzają działania prowadzące do zmiany wartości parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do niwelacji (kompensacji) efektu tego odchylenia.

• W przypadku sprzężenia zwrotnego ujemnego wartość parametru oscyluje więc wokół wartości zadanej. Sprzężenia zwrotne ujemne występują powszechnie w organizmach żywych i urządzeniach technicznych, jako mechanizmy samoregulacji.

Definicje• Sprzężenie zwrotne dodatnie polega na tym, że w sytuacji

zakłócenia jakiegoś parametru w układzie, układ ten dąży do zmiany wartości parametru w kierunku zgodnym (stąd -"dodatnie") z kierunkiem, w którym nastąpiło odchylenie od "zadanej" wartości. Sprzężenie zwrotne dodatnie powoduje zatem narastanie odchylenia.

• W sprzężeniu zwrotnym dodatnim wartość parametru odchyla się więc od wartości "zadanej" tym szybciej, im dalej już się od niej znajduje.

Definicje

Automatyka a automatyzacja - definicja pojęć

Automatyka to dział nauki i techniki, który swoją uwagę koncentruje na sterowaniu procesami technologicznymi i różnego typu procesami przemysłowymi.

Automatyzacja to zespół środków, metod, które służą do tego, aby udział człowieka w niektórych czynnościach był ograniczony do minimalnego stopnia lub zupełnie wyeliminowany.

Struktura Informatyczna przedsiębiorstwa

MRP Material Requirements PlanningMRPII Manufacturing Resource PlanningERP Enterprise Resource PlanningERPII (eERP) Enterprise Resource Planning

CIM Computer Integrated ManufacturingCAD Computer Aided DesignCAM Computer Aided ManufacturingMES Manufacturing Execution System

SCM Supply Chain ManagementDRP Distribution Resource PlanningCIM Computer Integrated ManufacturingMES Warehouse Management systems

Miejsce systemów DCS i SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)DCS (Distributed Control system)

Co to jest system DCS/SCADA

Funkcje systemów DCS i SCADA

• komunikację z aparaturą sterującą i stacjami operatorskimi,• przetwarzanie zmiennych procesowych,• oddziaływanie na proces (sterowanie, regulacja),• kontrolę procesu i sygnalizację alarmów,• raportowanie i archiwizacje danych,• wizualizację graficzną przebiegu procesu na schematach, wykresach, itp.,• konfigurowanie struktur algorytmicznych i obrazów synoptycznych,• wymianę danych z innymi systemami poprzez sieci FAN, LAN, WAN itd.• Inne: optymalizacja procesów, diagnostyka stanu urządzeń• Symulacja (prognozowanie, testy dla operatorów)

Priorytety systemów DCS i SCADA

• Bezpieczeństwo ludzi

• Bezpieczeństwo środowiska

• Bezpieczeństwo sprzętu

• Utrzymanie stabilnych warunków

• Osiągnięcie jakości produktu

• Optymalizacja zysków

• Monitorowanie i diagnostyka

• Symulacja (prognozowanie)

Użytkownicy systemów DCS i SCADA

• Operatorzy procesu (praca zmianowa 24h)

• Kierownicy zmiany

• Inżynierowie systemowi

• Administratorzy

Cechy systemów DCS i SCADA

• Wielozadaniowy system operacyjny z wywłaszczaniem (kontrolery),

• System Windows dla stacji operatorskich

• System Windows Serwer dla serwerów

• Praca w strukturze sieciowej,

• Skalowalność - możliwość ewolucyjnej rozbudowy,

• Możliwość rozszerzania i modyfikacji aplikacji w trybie on-line,

• Otwartość - wykorzystanie standardowego systemu operacyjnego i oprogramowania sieciowego, wykorzystanie standardowego sprzętu, możliwość opracowania przez użytkownika oprogramowania komunikacyjnego do nietypowych urządzeń lub szeroka dostępność driverów komunikacyjnych, możliwość wymiany danych z bazami danych i innymi systemami z pomocą standardowych mechanizmów np. DDE, OLE, OPC itp.

• Projektowany stopień niezawodności (redundancja na poziomie kontrolerów, sieci, serwerów

• Autoryzowany dostęp.