Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko. Laboratorij za razsvetljavo in fotometrijo. Gregor Goričar. Scada sistemi.

Transcript

1 Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Laboratorij za razsvetljavo in fotometrijo Gregor Goričar Scada sistemi Seminarska naloga Predmet: razdelilna in distribucijska omrežja Mentor: prof dr Grega Bizjak Ljubljana, 2016

2

3 Kazalo vsebine Povzetek... III 1 Uvod Primer aplikacije SCADA sistema v poslovni stavbi SCADA SCADA sistem Telemetrija Zajemanje podatkov Komponente SCADA sistema Inštrumentacija Oddaljene postaje Komunikacijska omrežja Glavna terminalna enota MTU Zgradba sistema Strojna oprema Programska oprema Scada aplikacije Avtomatizacija postaj Poslovne stavbe Sistem za izboljšanje faktorja moči Prednosti in slabosti Zaključek Vprašanja Opišite sistem SCADA Opišite elemente SCADA sistema Pojasnite uporabnost SCADA sistemov Naštejte prednosti in slabosti Naloga: Literatura I

4

5 Povzetek Modernih elektrificiranih omrežij in industrijskih procesov si danes ne znamo predstavljati brez organiziranega vodenja in izvajanja analitskih procesov. Pri zagotavljanju kakovosti in varnosti je pomembno sprotno zajemanje podatkov, na podlagi katerih lahko kasneje, izdelujemo določena poročila in analize za kasnejše izboljšave. Pomembna je optimizacija procesov, preglednost vodenja, ter možnost hitre prilagoditve. Zagotavljati moramo predvsem varnost in stabilnost, velikih ali manjših sistemov in vse to v realnem času. Živimo v dobi zapletenih računalniških in tehnoloških rešitev, ki se jih pogosto poslužujemo. Razvoju aplikacij, komunikacij in združljivosti procesov ni videti konca. Zbiranje podatkov, obdelava zbranih podatkov, ki služijo operaterju za pomoč pri odločanju in nadzor operaterja nad oddaljenimi napravami in postroji so temeljni gradniki na katerih slonijo vsa industrijsko naravnana podjetja. Sistemi, ki omogočajo izpolnitev teh funkcij so poznani pod skupnim imenom SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition). V seminarski nalogi bomo pregledali temeljne gradnike SCADA sistema in se dotaknili področja distribucije elektrečne energije, kjer so takšni sistemi v uporabi. Ključne besede SCADA, distribucijska omrežja, nadzor sistemov, upravljanje procesov. III

6 Seznam uporabljenih kratic API CB DCS DP FDM GUI IED LAN MMI NT NN ODBC OPC OT PLC RTDB RTP RTU SCADA SQL SN ST TDM TT TP MTU VN WAN Vmesnik za programiranje aplikacij (Application Programming Interface) Odklopnik (Circuit Breaker) Porazdeljeni krmilni sistem (Distributed Control System) Distribucijska točka (Distribution Point) Frekvenčno razdeljeno multipleksiranje (Fequency Division Multiplexing) Grafični uporabniški vmesnik (Graphical User Interface) Inteligentna elektronska naprava (Intelligent Electronic Device) Lokalno omrežje (Local Area Network) Vmesnik človek stroj (Man to Machine Interface) Napetostni merilni transformator Nizko napetostno omrežje Odprta povezljivost baze podatkov (Open Database Connectivity) Objekt za nadzor in kontrolo procesa (Object for Process Control) Oddaljena točka Programirljivi logični krmilnik (Programmable Logic Controller) Baza v realnem času (Real Time Database) Razdelilna transformatorska postaja Oddaljenega terminala enota (Remote Terminal Unit) Sistem za nadzor in zbiranje podatkov (Supervisory Control And Data Acquisition) Strukturiran poizvedovalni jezik (Structured Query Language) Srednje napetostno omrežje Sprejemna toka Časovno razdeljeno multipleksiranje (Time Division Multiplexing) Tokovni merilni transformator Transformatorska postaja Glavna terminalna enota (Master Terminal Unit) Visoko napetostno omrežje Globalno omrežje (Wide Area Network) IV

7 1 Uvod Distribucijski sistem v srednje napetostnem (SN) ali nizko napetostnem (NN) omrežju je zasnovan na različne načine. V uporabi so radialne strukture, dvojno radialno napajanje, odprta in zaprta zanka. Vsaka izmed njih je izbran na podlagi prednostne obremenitve in željene stopnje zanesljivosti. Preklopni sistem, je pri zasilnih obratovalnih pogojih lahko bodisi ročni ali avtomatski, odvisno od dovoljenega trajanja zastojev in narave bremen. Distribucijski sistemi, ki napajajo industrijska in komercialna so v večini primerov avtomatizirani. Avtomatizacija distribucijskega omrežja pomaga povečati raven zanesljivosti s skrajšanjem trajanja prekinitev, osamitvijo poškodovanih delov, vodenje delovanja naprav sistema in avtomatizacije zahtevanih postopkov preklopnih manevrov med samim obratovanjem. Do katere mere naj gre avtomatizacija, ki se uporablja za distribucijske sisteme ali je za distribucijski sistem, ko raste in postaja vse bolj zapleten, avtomatizacija zadostna za doseganje optimalnega in zadovoljivega delovanja ter varna? Pri iskanju odgovorov na ta vprašanja, se morajo strokovnjaki zanesti na podatke in obdelavo le teh s pomočjo računalniških sistemov, kateri so sposobni zbirati in obdelovati, ter hraniti velike količine informacij. 5

8 1.1 Primer aplikacije SCADA sistema v poslovni stavbi V navadni poslovni stavbi (Slika 1.1) je glavni dovodni kabel vezan na glavni odklopnik CB (ang. Circuit Breaker) v glavni stikalni celici locirani v kleti zgradbe. Slika 1.1: Shema glavnih linij dovodov v poslovni stavbi [1]. Izhodni izvodi iz te stikalne celice vodijo navzgor do vsakega nadstropja v distribucijsko točko DP (ang. Distribution Point). Ta točka napaja stanovanja v posameznem nadstropju preko števcev distribucijskega podjetja. Zahteve v stavbi predpisujejo uporabo diesel agregatov v pripravljenosti za rezervno napajanje UPS (ang. Uninteruptable Power Supply). Da se izognemo negotovosti in nezanesljivosti, v primeru izpada električne energije, potrebujemo preklopno stikališče v nadzorni sobi (Slika 1.1) (control room) med stikali generatorjev in glavnim dovodom. Tako se izognemo hkratnemu vzporednemu obratovanju. Poleg tega je v vsakem nadstropju potrebno namestiti avtomatska preklopna stikala, za prenos začasne električne energije do posameznega stanovanja mimo števcev, saj nam le te distribucijsko podjetje ne sme zaračunati (Slika 1.1). Posledica teh zahtev, je vgradnja veliko dodatne opreme. Mednje spada: priključna in komandna oprema za vsak generator, ki se nahaja v krmilni sobi v bližini glavne stikalne celice, preklopna stikala v razdelilcih posameznih stanovanj v nadstropju, in povezava med opremo in kontrolno sobo. Jasno je, da bo prostor za kontrolno sobo velik, povečala pa se bo tudi potreba po količini žic med komandnim panelom in oddaljenimi točkami v zgradbi [1]. 6

9 Upravljalec nadzoruje delovanje sistema in funkcionalnost opreme preko kontrolne sobe (Slika 1.1), kjer lahko spremlja položaj vsakega stikala (odprto / zaprto /v sili) in vizualno diagnosticira stanje sistema med izpadi in vrsto napake. Spremljanje the funkcij, potrebuje običajno zelo veliko število signalnih lučk in opozorilnih alarmov. Predstavljajte si težavnost in zmedenost odločanja, če operaterja podvržemo uporabi tako velikega števila medsebojno povezanih žic in indikatorjev. Prav tako ne pozabimo na težave in čas, porabljen za zagon in testiranje sistema. Po drugi strani se obremenitev distribucijskega omrežja nenehno povečuje, zaradi česar verjetno sledi prenova sistema distribucije z dodajanjem nove opreme ali spreminjanja napeljave, ki jo je običajno tehnično zahtevnejša. Da bi omilili te težave, je vsaka distribucijska točka DT opremljena s programirljivim logičnim krmilnikom PLC (ang. Programable Logic Controller) za opravljanje zahtevanih nadzornih funkcij in uporabniškim vmesnikom. Delovna postaja ima zmogljivost obdelave podatkov, zbranih iz vseh merilnih mest prek komunikacijskih omrežij z uporabo komunikacijskih kartic. Programirana enota lahko vsebuje sprocesirane podatke in informacije o stanju sistema, sistem upravljanja z energijo, ekonomskego dispečiranje, medmrežno obračunavanje energije, in katero koli drugo koristno aplikacijo. Informacije o stanju sistema, se lahko pošljejo na PLC za izvajanje ustreznih krmilnih ukazov, medtem ko se drugi podatki uporabijo za sistem načrtovanja, vzdrževanja in obratovanja. Z delovno postajo, lahko operater grafično prikaže na zaslonu en sam diagram porazdelitve sistema in pa še vse druge z uporabo uporabniku prijaznega interaktivnega okna. Takšen sistem pridobivanja podatkov s poročevalskimi zahtevami (vendar omejenim nadzorom) se imenuje SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition). Sistem SCADA je mogoče enostavno prilagoditi na spremembo v aplikacijskem okolju, prav tako pa ga je mogoče povezati z drugimi sistemi, na primer zaščitnimi sistemi. Zaščitni napajalni sistem, ki vključuje zaščitne releje, je prikazan na Slika 1.2. V tem diagramu tokovni in napetostni transformatorji pošljejo vzorce faznih tokov in fazne napetosti, ki se jih uporabi kot vhodne podatke za zaščitni rele. Če se na teh vhodih pojavi signal izven mej dopustnega območja, rele pošlje sprožilni signal odklopniku, da se odpre. Za zagotovitev pravilnega delovanja tega mehanizma zaščite, je potrebno zagotoviti, da tudi zaščitni rele res deluje pravilno. To je mogoče preveriti s testiranjem releja z pomočjo simulatorja generatorja za ustvarjanje ustreznih vhodnih signalov in merjenja moči (Slika 1.3). Potreba po simulatorju nastane zaradi tega ker elektro podjetje ne more prekiniti glavnih električnih vodov samo z namenom testiranja releja. Ta preizkus se uporablja z zaščitnega vidika, vendar postanejo razmere drugačne, če je potrebno ta rele uporabi kot vir podatkov za SCADA sistem. Opraviti moramo še dodaten test, ki preveri, ali prihajajo pravilni podatki v SCADA sistem. Tu je pomemben dejavnik poznavanje natančne numerične reprodukcije podatkov s komunikacijskega stališča [1]. 7

10 Slika 1.2: Zaščitni rele[1]. Slika 1.3: Testiranje releja z uporabo simulatorja [1]. 8

11 2 SCADA 2.1 SCADA sistem SCADA sistem je sistem za nadzor in zajemanje podatkov. Ta se nanaša na kombinacijo telemetrije in pridobivanja podatkov. Začne se z merjenjem podatkov na posameznih področjih uporabe in zbiranjem informacij s pomočjo inteligentnih elektronskih naprav IED (ang. Inteligent Electronic Device), nato pa naprej s prenosom teh podatkov do glavne postaje za izvajanje potrebnih algoritmov za obdelavo in nadzor. Rezultati obdelave se prikazujejo na številnih operaterjevih komandnih panelih, kjer je nabor ukrepov za nadzor implementiran v paleto aplikacij v realnem času (Slika 2.1). 2.2 Telemetrija Slika 2.1: Osnovni elementi SCADA sistema Telemetrija je tehnika, ki se uporablja za merjenje podatkov (napetosti, toka, hitrosti,..) v realnem času in prenosa do inteligentnih elektronskih naprav, kot so oddaljeni terminali RTU (ang. Remote Terminal Unit) ali PLC-ji na drugem mestu prek komunikacijskih povezav [1]. 2.3 Zajemanje podatkov Zajemanje podatkov je metoda za dostop in zbiranje podatkov iz naprav, ki je upravljana in nadzorovana. Zajete podatke se posreduje sistemu telemetrije, tako so pripravljeni na prenos iz različnih lokacij. Podatki so lahko analogni ali digitalni. Zbrani s pomočjo senzorjev, torej raznih ampermetrov, voltmetrov, merilnikov hitrosti pretoka,... To so lahko tudi podatki za nadzor opreme, pogonskih sklopov, relejev, ventilov in motorjev. 9

12 3 Komponente SCADA sistema SCADA sistem je sestavljen iz štirih komponent, ki so napisane v spodnjem vrstnem redu. 3.1 Inštrumentacija Ta del se nanaša na merilne naprave, ki se jih uporablja za spremljanje nekaterih pomembnih parametrov. To so npr. senzorji, ki se uporabljajo za nadzor določenih modulov, kot so npr. aktuatorji. Na splošno so te naprave povezane z opremo ali stroji, ki jih nadzoruje in upravlja SCADA sistem. Njihova glavna funkcija je pretvorba parametrov iz fizične oblike v električno obliko, tako zveznih analognih kot diskretnih digitalnih signalov, ki jih je mogoče brati z opremo na oddaljeni postaji RTU. 3.2 Oddaljene postaje Merilne naprave, povezane z obrati in elektrarnami nadzorujemo preko vmesnikov z oddaljene postajertu. Funkcije oddaljene daljinske postaje so: zbiranje podatkov iz različnih naprav proizvodnega obrata, ki se jih spremlja in nadzoruje; Zadrževanje podatkov, zbranih v svojem pomnilniku in čakanje na zahtevo glavne postaje MTU (ang. Master terminal unit) za prenos podatkov; in prejemanje podatkov in kontrolnih signalov iz MTU in prenos nadzornih signalov proizvodnim obratom. Oddaljena daljinska postaja je bodisi RTU ali PLC (Slika 3.1). RTU se dejansko uporablja v primeru zahtevnih komunikacij. RTU ima digitalno/analogne vhode in izhode s svetlečimi LED diodami za indikacijo (izbire kanala), optične vodnike. Če se že pričakuje PLC-je v nekem procesu, je po drugi strani priporočljivo da se jih poveže prek SCADA sistema. Oba, RTU in PLC sta se v zadnjem času močno izpopolnila [1]. 10

13 3.3 Komunikacijska omrežja Slika 3.1: RTU vhodi / izhodi [1]. Geografsko razpršenih RTU-ji so priključeni na MTU prek različnih komunikacijskih kanalov, vključno z radijskimi povezavami, zakupljenimi vodi in optiko. Zasnova, tako RTU-jev in MTUjev v veliki meri vpliva na razpoložljivostne omejitve in visok strošek komunikacijskih kanalov. Načrtovanje strojne in programske opreme, tako MTU-ja in RTU-ja mora zagotavljati, da se podatki pravilno prenesejo iz RTU-ja na MTU in da naključen šum ne vpliva na komunikacijski kanal. Konfiguracija komunikacijskega sistema je odvisna od: števila in lokacij RTU-jev, števila točk na RTU-ju in zahtevane stopnje posodabljanja in razpoložljivosti komunikacijske opreme, tehnike in objektov. SCADA komunikacijske tehnike vključujejo modulacijo, multipleksiranje, obliko sporočila in prenos informacij Modulacija: Če želimo prenesti podatke iz oddajne točke (OT) do točke za sprejem (ST), preko komunikacijskega kanala, mora biti modulirana v OT in demodulirana na ST. To pomeni, da je potrebno za signal pri prenosu od OT do ST spremeniti in kasneje detektirati. Ta sprememba se lahko izvede bodisi s spremembo amplitude, frekvence ali faze signala. Demodulator ob ST zazna spremembe in prenesene podatke ustrezno pretvori. Če je posredovanje informacije enostransko, se kanal imenuje "Simplex kanal ", če pa je v obeh smereh, vendar ne hkrati, pa "Half duplex." Prenos v obeh smereh simultano, se imenuje "Full duplex. " Multipleksiranje: V strukturi SCADA sistema, je potrebno posredovati podatke iz različnih mest v eno samo končno točko (več oddajnikov en sprejemnik). Ekonomično najboljša metoda je uporaba posameznega kanala za več informacij. Temu rečemo "multipleksiranje" in se lahko izvede po eni izmed dveh osnovnih tehnik: 11

14 frekvenčno multipleksiranje FDM (ang. Frequency Divisioned Multiplexing), časovno multipleksiranje TDM (ang. Time Divisioned Multiplexing). V FDM tehniki, se vsaka informacija prenaša preko namenskega dela razpoložljivega spektra v komunikacijskem kanalu (Slika 3.2). Pri TDM tehniki, pa se vsak del informacije posreduje, kot del serijskih digitalnih sporočil v ločenih časovnih intervalih ter demultipleksiranih pri sprejemniku v posamezne koščke informacije (Slika 3.3)[1]. Slika 3.2: Frekvenčno razdeljeno multipleksiranje [1]. Slika 3.3: Časovno razdeljeno multipleksiranje [1]. Formati sporočila: Posredovanje informacij v obeh smereh med MTU in RTU-jem z uporabo TDM tehnike zahtevajo uporabo serijskega digitalnega sporočila. Vsa sporočila so razdeljena v tri osnovne dele: vzpostavitveno sporočilo, ki zagotavlja signale za sinhronizacijo sprejemnika in oddajnika in edinstven RTU naslov, 12

15 informacije, ki zagotavljajo podatke v takšni kodirani obliki, da jih lahko sprejemniki dešifrirajo ter pravilno uporabljajajo in zaključno sporočilo, ki določa varnostne preglede sporočila in sredstva, ki označujejo konec sporočila. Varnostni pregledi sporočil so sestavljeni iz logičnih operacij na podatkih, ki izhajajo iz vnaprej določenega števila kontrolnih bitov, prenesenih v sporočilu. Pri sprejemniku se z enakimi operacijami, ki se jih izvaja na podatkih, primerja z prejetimi kontrolnimi biti. Sporočilo je sprejeto, če so le ti enaki; V nasprotnem primeru je potrebno ponovno pošiljanje originalnega sporočila [1]. Informacijski prenos: informacije v SCADA sistemih se prenašajo iz RTU na MTU in tudi od MTU na RTU (Slika 3.4). Zato ni dovolj, da informacije posredujemo pravilno ampak tudi varno. Implementirane morajo biti tehnike preverjanja informacij [1]. Slika 3.4: MTU vhodi / izhodi 3.4 Glavna terminalna enota MTU MTU imenujemo glavna kontrolna postaja SCADA sistema (Slika 3.4). Naloge MTU so: vzpostavitev komunikacije, zbiranje podatkov, shranjevanje podatkov in pošiljanje informacij do drugih sistemov, obdelava podatkov zbranih z oddaljenih postaj in podajanje nadaljnih ukrepov, če se izkaže, da je to potrebno in povezovanje z operaterji preko monitorjev in tiskalnikov v obliki poročil in opozoril. 13

16 4 Zgradba sistema V tem poglavju so opisane skupne značilnosti arhitekture SCADA in sorodnih konfiguracij strojne opreme skupaj z zasnovo programske opreme. 4.1 Strojna oprema Sistem SCADA v bistvu temelji na dveh ravneh. Prva raven vključuje inteligentne elektronske naprave IED, ki so bodisi RTU enote ali PLC-ji. Kot smo že omenili, elektronske komponente zbirajo podatke iz krmilnih naprav ali senzorjev na različnih lokacijah in jih pošljejo nazaj k poveljniku SCADA-master sistema, ki predstavlja drugo stopnjo hierarhije. SCADA-master obdeluje podatke in posreduje informacije, spet nazaj na prvo stopnjo. Komunikacija med IED in SCADA-masterje zagotovljena z uporabo omrežij LAN (ang. Local Area Network) ali prostranega omrežja WAN (ang. Wide Area Network), lokalnih zaščitenih povezav v lasti podjetij (npr. Siemens H1) ali nelastniških vodil (npr. profibus vodilo). Ta konfiguracija, je znana kot "Monolitna SCADA struktura, " (Slika 4.1) [1]. Slika 4.1: Monolitna SCADA struktura [1]. 14

17 Interakcija med krmilnimi napravami (ali senzorji) na področju uporabe sistema SCADA. Poznamo prednosti in slabosti: Prednosti Sposobnost beleženja in shranjevanja velike količine podatkov, Na SCADA sistem se lahko na širokem področju priključi veliko število inteligentnih elektronskih naprav IED, Operater lahko komunicira s sistemom SCADA preko realnih podatkov in simulacij, Razpoložljivost zbiranja različne vrste podatkov iz oddaljenih terminalnih enot (RTU-jev) in Podatke lahko predstavljamo na daljavo in prikazujemo na želeni vizualni način operaterja. Slabosti: celoten sistem postane bolj zapleten, sistem potrebuje več znanja in spretnosti za načrtovanje in programiranje, število žic, ki se jih uporablja za komuniciranje med pametnimi elektronskimi napravami. V samem SCADA sistemu ima komunikacijska povezava med prvo in drugo ravnjo širše strukture komunikacijskih vodil nekaj prednosti in slabosti: Prednosti: močno zreducirano ožičenje, slaba informiranost operaterja kaj se dogaja na ravni IED, zaščita vnesenih podatkov, nameščanje in zamenjava naprav enostavni, potrebno manj prostora za nameščanje naprav. Slabosti: potrebno visoko usposobljeno osebje za delovanje celotnega sistema, šumi v komunikacijskem omrežju močno vplivajo na sistemsko uspešnost. Sistem SCADA se lahko podaljša tudi na tro ravninski znadzor. Inteligentne elektronske naprave so združene v vrsto skupin v prvi stopnji. Nato vsaka skupina komunicira s komunikacijskim strežnikom (druga stopnja), ki deluje kot vozlišče (hub) med IED in glavno postajo. Glavna postaja (tretja stopnja) je lahko sestavljena iz niza multi-operabilnih postaj, ki so med seboj povezane s komunikacijskimi strežniki preko LAN-a. V tem primeru se lahko 15

18 vsaka ta operacijska postaja razdeli po tovarniškem kompleksu, kot je to potrebno. Poleg tega je vsaka delovna postaja lahko specializirana za določene procese. Torej, je ta konfiguracija je bolj pomembna za storitvena podjetja, kjer nadzor distribucijskih sistemov po naravi porazdeljen DCS (ang. Distributed Control System). Občasno je DCS podoben sistemom SCADA. Ti se običajno uporabljajo v tovarnah, ki se nahajajo v bolj zaprtem prostoru. Prav tako pa uporablja visoko komunikacijsko tehnologijo in velike hitrosti medija, kot npr. LAN. Znaten del zaprte regulacijske zanke je prisoten v sistemu. Sistem SCADA pokriva več geografskih območij. Lahko se uporablja tudi več različnih komunikacijskih povezav, kot sta radio in telefon. Sicer pa zaprti: regulacijski krog ni najpomembnejša prednostna naloga v tem sistemu. Tri hierarhijska konfiguracija SCADA ravni je znana kot "Razdeljena SCADA arhitektura (Slika 4.2) Ko je, komunikacijski medij (sredstvo) med glavno SCADA postajo in komunikacijskimi strežniki WAN in satelitsko omrežje (Slika 4.3), je SCADA konfiguracija bolj znana kot "Mrežna SCADA arhitektura. " Komunikacija lahko temelji na internetu [1]. 4.2 Programska oprema Programska oprema je več opravilni izdelek, ki temelji na bazi podatkov realnega časa (RTDB) in se nahaja na enem ali več strežnikih. Strežniki so odgovorni za pridobivanje podatkov in upravljanje z njimi. Glavne značilnosti programske opreme so naslednje. Slika 4.2: DCS SCADA sistem [1]. 16

19 Slika 4.3: Mrežna SCADA arhitektura [1]. Vmesnik (Aplikacijski vmesniki / Odprtost): Zagotavlja povezovanje in vključevanje objektov za nadzor postopka OPC (ang. Object for Process Controll) in funkcionalnosti odjemalca za SCADA dostop do naprav. Še vedno se zdi, da je nekaj pomanjkljivosti naprav / krmilnikov, ki bi zagotavljali OPC strežniško programsko opremo, ampak se stvari izboljšujejo, saj večina proizvajalcev krmilnikov aktivno sodeluje pri razvoju tega standarda. OPC je ovrednotila skupina CERN - IT - CO. Proizvodi zagotavljajo tudi: odprtokodno povezljivost (ODBC) vmesnika s podatki v arhivu, enostaven način za uporabo inžinirskih orodij, učinkovito uporabo knjižnic programskih vmesnikov API (ang. Apliction Programing Interface), ki podpirajo C, C + + in Visual Basic za dostop do podatkov v RTDB (ang. Real Time Data Base), dnevnikov in arhiva. API pogosto ne zagotavlja dostopa do notranjih značilnosti proizvoda kot so upravljanje alarma, poročanje, odprte protokole, možnost povezovanja z drugimi komercialnimi programskimi aplikacijami odpro platformo npr Windows. PC-ji zagotavljajo podporo za Microsoftove standarde, kot so dinamična izmenjava podatkov DDE (ang. Dynamic Data Exchange), ki omogočajo, dinamično vizualizacijo podatkov v 17

20 Excelu; dinamična povezovalna knjižnica DLL (ang.dynamic Link Library); in objektno povezovanje ter vlaganje OLE (ang. Object Link Exchange). Baza podatkov: Konfiguracijski podatki so shranjeni v podatkovni bazi, ki je logično centralizirana, toda fizično porazdeljena in na splošno beležena v nekem ustreznem formatu podjetja. Iz določenih razlogov hitrosti delovanja sistema je RTDB inštaliran v spominu na strežnikih in ravno tako v dogovorjenem formatu podjetja. Arhivski in prijavljalni format je običajno tudi razvit s strani določenega podjetja zaradi unikatnosti in uspešnosti. Zdi pa se sicer, da se nekateri izdelki, ki podpirajo prijavljanje na relacijski sistem za upravljanje baz podatkov RDBMS (ang. Relational Database Management System), prijavljajo zaradi tega počasneje, bodisi neposredno ali prek vmesnika ODBC (ang. Open Database Conectivity). Razširljivost: Razširljivost se razume kot možnost, da se od nadzornega sistema SCADA temeljna struktura razširi, z dodajanjem več spremenljivk procesa, bolj specializiranih strežnikov (npr. za upravljanje alarma) ali dodatnih strank. Proizvodi dosežejo razširljivost, z več podatkovnimi strežniki, povezanimi z več nadzorniki. Vsak podatkovni strežnik ima svojo bazo podatkov o konfiguraciji in RTDB, in je odgovoren za ravnanje z podskupinami spremenljivk procesa (pridobivanje, obdelavo alarmiranja, arhiviranje). 18

21 Redundanca: Produkti imajo pogosto vgrajeno redundanco na ravni strežnika, ki je običajno pregledna za uporabnika. Veliko produktov zagotavlja tudi bolj celovite redundančne rešitve, če je to potrebno. Kontrola dostopa: Uporabniki se razdelijo v skupine, ki so opredeljene za branje / pisanje privilegijev pri dostopu do procesnih parametrov v sistemu in pogosto tudi specifične funkcionalnosti izdelka. Proizvodi podpirajo več zaslonov, ki lahko vsebujejo kombinacije sinoptičnih diagramov in besedil. Prav tako podpirajo koncept "splošnega" grafičnega objekta (predmeta) s povezavami do procesnih spremenljivk. Ti predmeti so lahko "povlečeni in spuščeni" iz knjižnice in vključeni v pregledne diagrame. Večina SCADA izdelkov, je ovrednotenih in razgradljivih v "osnovne" parametre (npr. dovodni tok, njegovo najvišja vrednost, vklopno / izklopno stanje), na katere se navezuje ime oznake. Imena značk se uporablja za povezovanje grafičnih predmetov z pripomočki, ki jih lahko urejate, kot je to potrebno. Izdelki vključujejo knjižnico standardnih grafičnih simbolov. Na voljo so standardni Windows urejevalniki objektov: povečave, spreminjanje velikosti, drsenje in tako naprej. Mrežna konfiguracija in prilagoditev za vmesnik človek / stroj MMI ( a n g. M a n t o M a c h i n e I n t e r n e t ) je mogoča za uporabnike z ustreznimi pooblastili. Povezave se lahko ustvarjene med prikazovalniki strani za navigacijo predmeta z enega ali več drugih vidikov. Prikazovanje: Prikazovanje objektov pri čemer povzamemo nekatere značilnosti: prikaz parametrov v določenem grafikonu, grafikon lahko prikazuje več kot osem parametrov in neomejeno število kart, prikaz potekov in podatkov v realnem času, historično napovedovanje za arhivirane parametre, funkcije za povečevanje in pomikanje in vrednosti parametrov je mogoče prikazati na določenem položaju kurzorja Funkcija izrisovanja je lahko bodisi ločen modul ali grafični vmesnik (ActiveX), ki se nato lahko vgradi v pregledne zaslone. Upravljanje alarma: Upravljanje alarmnih stanj temelji na preverjanjih stanj, izvedenih v podatkovnih strežnikih. Bolj zapletene kode (z uporabo aritmetičnih ali logični izrazov) je mogoče razviti z ustvarjanjem izpeljanih parametrov. Alarmi se logično obdelujejo centralizirano; to pomeni, da informacija obstaja samo na enem mestu in vsi uporabniki vidijo enak status (npr. potrdilo). Alarm ima več ravni glede na pomembnost in vrsto. (V splošnem so podprte več kot tri stopnje). Na splošno je mogoče skupinske alarme združiti in ravnati z njimi enotno (običajno filtriranje v skupine ali potrditev o vseh alarmov v skupini). Poleg tega je možno, da se alarme zatre bodisi posamično ali skupinsko. Filtriranje alarmov na strani opozoril ali pri gledanju seznama alarma je možno tudi prednostno in časovno. Vendar razmerja (pomembnosti) med alarmi na splošno ni mogoče določiti enostaven način. 19

22 Obveščanje/Arhiviranje: Izraza, obveščanje in arhiviranje se pogosto uporablja za opis podobnih pojmov. Kakorkoli, obveščanje je potrebno razumeti kot srednjeročno (začasno) shranjevanje podatkov, medtem ko arhiviranje je dolgoročno hranjenje podatkov bodisi na disku ali na drugem stalnem mediju za shranjevanje. Obveščanje se običajno izvaja se na ciklični podlagi; to pomeni, da ko presežemo določene velikosti datoteke, časovni interval, ali doseženo število točk, se podatki prepišejo čez (overwrite). Beleženje podatkov se lahko izvede ob določeni frekvenci, ali pa samo ob določenih spremembah vrednosti ali, ko pride do vnaprej določenega posebnega dogodka. Vpisani podatki se lahko prenesejo v arhiv, ko je dnevnik poln. Vpisani podatki so časovno žigosani in jih lahko s strani uporabnika filtriramo. Beleženje uporabnikovih dejanj se na splošno izvede skupaj z bodisi identifikatorjem uporabnika ID ali ID postaje. Pogosto obstaja tudi videorekorder (VCR), naprava za predvajanje arhiviranih podatkov. Generacija poročila: Poročila se lahko pripravi s pomočjo uporabe programskega jezika za strukturirano poizvedovanje v arhivih SQL(ang. Structure Query Language), na podlagi podatkovnih baz ali prijav. "Izreži in prilepi" funkcija na splošno ni predvidena, čeprav je včasih Excelove grafikone mogoče vlagati v poročila. Obstajajo tudi naprave, ki bi lahko samodejno ustvarile, tiskale in arhivirale poročila. Avtomatizacija: Prednostna naloga postrojev in avtomatizacije so ukrepi, ki jih samodejno sprožijo dogodki. Skriptni jezik, predložen SCADA sistemu omogoča, da te ukrepe opredelimo. Na splošno je mogoče naložiti program prek prikazovalnika, sporočil, zagona uporabniškega vmesnika in zapisovanja v podatkovne baze. Koncept receptov je podprt, pri čemer lahko konfiguracije posameznega sistema shranite v datoteko in jo nato ponovno naložite kasneje. Sekvencioniranje je ravno tako podprto, pri čemer je mogoče, kot ime pove, izvršiti bolj zapleteno zaporedje dejanj na eni ali več napravah. Zaporedja se lahko odzivajo tudi na zunanje dogodke. Nekateri izdelki podpirajo tudi ekspertne sisteme. Grafični uporabniški vmesnik GUI: Mora izpolnjevati naslednje glavne značilnosti: odprt-sistemski pristop, brezhibno delovanje vseh funkcij vmesnika, usklajeno delovanje in upravljanje s strani operaterjev. Glavna naloga SCADA / GUI sistema je vizualna predstavitev, pri čemer je mogoče razlikovati en sistem od drugega. GUI predstavlja ključno jedro v vsakega SCADA sistema. Njegovo učinkovitost je mogoče enostavno določiti, iz produktivnosti delovanja katerega koli sistema za upravljanje. [4] 20

23 5 Scada aplikacije 5.1 Avtomatizacija postaj Distribucijsko Razdelilno Transformatorsko Postajo (RTP) je mogoče nadzorovati in spremljati lokalno ali na daljavo iz centralne kontrolne sobe, kjer je tendenca avtomatizirano delovanje (Slika 5.1). Tak način RTP- ja imenujemo "RTP brez posadke. " V sedanjem času, so zaradi prisotnosti močnih računalnikov in inteligentnih naprav, večino postajaj že popolnoma avtomatizirali z uporabo sodobnih naprav. Te naprave IED so med seboj povezane s ciljem zbiranja podatkov in nadzorovanja procesov. Po drugi strani, omogoča SCADA sistem, operaterju postaje splošen vpogled v samo stanje mnogih naprav. Zato mora integracija SCADA sistema in RTP avtomatizacije temeljiti na "real time" nadzoru širšega območja in nadzorovati, na primer, tok, napetost, moč, omejitve moči, in samo delovanje transformatorske postaje. Stopnja integracije odvisna od posameznih zahtev. Napredni krmilni sistemi, zaščitni sistemi in komunikacijske aplikacije, lahko skupaj s sistemom SCADA, bistveno izboljšajo zmogljivost in zanesljivost obstoječih distribucijskih omrežij. To pomeni, zmanjšanje stroškov delovanja in konstruiranja ter optimizacijo distribucijske izkoriščenosti sistema. Glavni trend arhitekture, tako SCADA sistema in avtomatizacije sistemov porazdeljene arhitekture, je zagotavljanje učinkovitosti in združljivosti z naravo distribucijskega sistema, kar se odraža v: povečani razpoložljivosti in modularnosti, ne potrebujemo glavnega krmilnika, '' peer to peer'' medsebojni komunikaciji, izboljšanju delovanja sistema in enotnem načelu za merilo neuspeha. 21

24 Slika 5.1: RTP z DCS SCADA sistemom in avtomatizacijo [1]. 5.2 Poslovne stavbe Primer komercialnega poslovnega objekta obravnavan na začetku te seminarske(slika 1.1). Mogoče ga je nadzorovati in spremljati s SCADA sistemom, kar pomeni da: Za vsak apartma na vsakem nadstropju, IED prikazuje stanje menjalnega stikala. RTU zbira podatke iz skupine IED (npr. eno RTU na tleh. Se v primeru velikega števila RTU-jev, sistem razdeli na podskupine, kjer vsaka skupina komunicira z oddaljeno postajo prek Ethernet vodila (LAN). 22

25 Se v kleti, kjer je nameščena glavna stikalna plošča, stanja blokad. Pametne elektronske naprave (IED) so povezane z namenskim RTU in komunicirajo z Ethernet povezavo. So osrednje kontrolne postaje in glavna SCADA postaja povezani z LAN povezavo za nadzor in spremljanje sistema, v naslednjem zaporedju kot prikazuje Slika 5.2. Slika 5.2: SADA sistem za poslovno zgradbo. 5.3 Sistem za izboljšanje faktorja moči Izboljšanje faktorja moči se izvaja z vstavitvijo kondenzatorjev v sistem. To naj bi kot primer uporabe conske kompenzacije pomenilo, da so kondenzatorji priključeni na SN zbiralke, pri čemer služijo pravilnemu razporejanju obremenitve moči, ki se nahaja v tej distribucijski točki. Običajno so kondenzatorji združeni v več skupin, kjer vsaka skupina obsega nekaj kondenzatorjev. Ti pokrivajo določen delež kapacitivne jalove energije. Vsaka kondenzatorska skupina ima lahko različne razporeditve deleža kapacitivnosti po skupinah. Struktura kompenzatorja je odvisna od načrtovalca in njegove študije obnašanja bremen. Kondenzatorji so skupaj vezani v trikotu in povezani z zbiralkami (oziroma v distribucijsko točko) prek varovalk in trifaznega stikala. Avtomatski sistemski krmilnik prejme vzorce napetosti in tokov preko tokovnih transformatorjev (TT) in napetostnih 23

26 transformatorjev (NT), ter posledično tudi faktor moči posamezne faze. V skladu s tem se krmilnik odloča in pošilja krmilni signal za preklop ("on" ali "off") na stikalo posamezne skupine kondenzatorjev, da se doseže ustrezne pred-nastavljene parametre vrednosti faktorja moči. Sistem za korigiranje faktorja moči je zaščiten pred prevelikim tokom, prenapetostmi, in nad - temperaturo s pomočjo ustreznih relejev. Katerekoli stopnje kompenzatorja oz. skupine ni mogoče kar priključiti takoj na omrežje po preteklem obratovanju, ker je za to predviden ustrezen čas (nekaj minut), saj se morajo kondenzatorji sprazniti pred preklopom, če se hočemo izogniti prenapetostim. SCADA za nadzor faktorja moči (Slika 5.3) vsebuje naslednje elemente: Položajno stikalo: Omogoča, da se vsaka posamezna kondenzatorska banka, vključi v sistem samodejno ali ročno ali pa se izklopi (ročno / izklop / avtomatsko). Automatsko / SCADA stikalo se uporablja za vklop sistema samodejno delovanje in komuniciranje s SCADA sistemom. osrednja kontrolna postaja (krmilnik): Nadzoruje kondenzatorske banke na osnovi napetosti in faktorja moči sistema. Nadzor postaje je omogočen samo, če je SCADA onemogočena. Ct in vt (tuljave in upori) Slika 5.3: Se obnašajo kot senzorji IED za pošiljanje parametrov sistemu faznih tokov, fazne napetosti, medfazne napetosti, delovne moči, jalove moči, itd. Sistem zaščite: Vključuje različne vrste relejev za zaščito sistema proti neobičajnim pogojem delovanja. Tipalo temperature se lahko doda, kadar je to potrebno za zaščito naprave pred naraščujočimi temperaturami. 24

27 Slika 5.3: Sistem za uravnavanje cos φ [1]. Merilni sistem (Slika 5.3): Meri vse parametre, ki so sprejeti iz senzorjev. Merilne vrednosti pošlje naprej do PLC-ja. Glavna SCADA postaja: pošilja krmilne signale PLC-ju. Poleg tega opravlja vse funkcije indikacije, alarmiranja, sporočanja in grafični zaslon. SCADA prikaže dejanski faktor moči, povezane ukrepe, začete dejavnosti, izgube kondenzatorjev, delavne in jalove tokove ter napetostno harmonsko popačenje (THD). Prav tako lahko alarmira, ko je faktor moči prenizek, prekomeren, nenormalen, prenizka kapacitivnost, PLC: Obvladuje funkcionalne zahteve obeh (krmilnika sistema in SCAD-e), glede tega katera kondenzatorska banka se vklopi "on" in katera se izklopi "off. " Ta odločitev temelji na prispevkih merilnega sistema, sistem varovanja, pozicijskega stikala, auto / SCADA stikala, krmilnika in glavne SCADA postaje [1]. 25

28 6 Prednosti in slabosti V nadaljevanju bodo opisane nekatere slabosti relejnih sistemov (starejši način) in prednosti SCADA sistemov (novejši naprednejši način nadzora in kontrole kompleksnih sistemov). Slabosti relejnih sistemov: zapleteni nadzorni sistemi, dragi sistemi, potrebnega več fizičnega prostora, porabijo veliko energije in proizvedejo veliko toplote, imajo samo funkcijo preklapljanja vklop/izklop, vsaka sprememba v programu nadzora potrebuje prestrukturiranje ožičenja relejev in praktično zelo zahtevna odprava in diagnosticiranje napak v delovanju samega sistema. Prednosti SCADA sistemov: avto-diagnostika sistema in enostavno vzdrževanje, izvajanje aritmetičnih funkcij, vloga objekta za komunikacijo z drugimi krmilniki kot glavni strežniški računalnik, enostavno programiranje in reprogramiranje, sposobnost PLC v prehod iz iz preprostega nadzora na več kompleksnih sistemov, kot so PID regulatorji, industrijsko aplikacijo SCADA je mogoče gledati kot razdelilni nadzorni sistem (DCS) in možnost uporabe grafičnih uporabniških vmesnikov (GUI) z vizualnim prikazom stanja sistema. 26

29 7 Zaključek Zahteve znotraj elektroindustrije po oddaljenem nadzoru RTP postaj, in proizvodnih enot (elektrarne) so verjetno osrednje gonilo za nastanek modernih SCADA sistemov. Kakorkoli SCADA sistemi so danes prisotni praktično v vseh vejah industrij in posledica tega so nastale različne variacije teh sistemov znotraj posamezne panoge. Starajoča infrastruktura omrežja in širitev distribucijskih omrežji postavljajo snovalce sistemov pred neizpodbitno dejstvo, da je treba SCADA sisteme in z njimi povezano senzoriko algoritme in komunikacijske kanale neprestano izpopolnjevati in izboljšati, za zagotavljanje varnega in zanesljivega elektroenergetskega sistema. Pojav razpršenih alternativnih virov in z njimi pametnih omrežij spreminja ne samo sestavo elektroenergetskega sistema ampak ampak tudi vpliva kako je le ta voden. Upam si trditi, da se premalo zavedamo interdisciplinarnosti in tesne povezanosti med domenskimi znanji inžinirskih strok in implementacijo le teh v IT sisteme. Z deregulacijo trga električne energije, zastarelostjo prenosne in distribucijske infrastrukture in razvojem pametnih omrežij bodo sistemi, kot so SCADA in drugi igrali ključno vlogo pri zagotavljanju zadostnosti, varnostni ter zanesljivosti na področju energetike v prihajajočih letih. 27

30 8 Vprašanja 8.1 Opišite sistem SCADA SCADA je sistem za nadzor in zbiranje podatkov z oddaljenih točkovnih ali linijskih sredstev. S pametnimi napravami komunicira prek kodiranih signalov in komunikacijskih kanalov, s pomočjo določenih struktur in protokolov. Glavni namen SCADA sistema je zagotavljanje preglednosti in optimalnega nadzora nad širšo infrastrukturo podjetja v realnem času. Omogoča daljinsko vodenje posameznih podsistemov, zapisovanje podatkov, alarmiranje in pregled stanja nad podsistemi avtomatizacije in krmiljenih procesov. Izhaja iz industrijskih krogov in v preteklosti uveljavljenih sistemov. Za razliko od njih je SCADA bolj dovršena in univerzalna predvsem pa širše uporabna. Močno izboljšuje delovanje procesov, vodenje, etc. Združuje se lahko tudi z drugimi (npr. zaščitnimi, varnostnimi, ) sistemi in tako sistemsko nadgradi. 8.2 Opišite elemente SCADA sistema Oddaljene terminalne enote ( RTU) so povezane s senzorji v procesu, ki pretvarjajo signale senzorjev v digitalne podatke. Imajo telemetrijsko strojno opremo in omogočajo pošiljanje digitalnih podatkov v nadzorni sistem, kot tudi sprejemanje digitalnih ukazov iz nadzornega sistema. V RTU-je so pogosto vgrajene kontrolne zmogljivosti, različna matematična orodja, predvsem boolova logika. Programirljivi logični krmilnik PLC je povezan s senzorji v procesu in prav tako pretvarja signale senzorja v digitalne podatke. PLC imajo bolj izpopolnjene vgrajene kontrolne zmogljivosti kot RTU-ji, običajno z enim ali več IEC programskih jezikov. Nimajo pa telemetrije strojne opreme, čeprav je ta funkcionalnost tipično nameščena vzporedno z njimi. PLC se včasih uporablja namesto RTU-ja kot terenska naprava, ker je bolj ekonomičen, vsestranski, prilagodljiv in nastavljiv. Sistem telemetrije, ki se običajno uporablja za priključitev PLC-ja in RTU-ja z nadzornimi centri, podatkovnih skladišč podjetja. Primeri žične telemetrije medijev, ki se uporabljajo v SCADA sistemih vključujejo zakupljene telefonske linije in WAN omrežja. Primeri brezžičnih medijev telemetrije, ki se uporabljajo v SCADA sistemih vključujejo satelit VSAT, licencirane in nelicencirane radijske zveze. Podatkovni strežnik, ki je programska storitev in uporablja industrijske protokole za povezovanje programskih storitev preko telemetrije s terenskih naprav, kot so RTU-ji in PLCji. To omogoča strankam, da dostopajo do podatkov iz teh terenskih naprav, katere uporabljajo standardne protokole. Vmesnik človek-stroj ali HMI je aparat oz pripomoček za prikazovanje obdelanih podatkov operaterju in komuniciranje s procesom. HMI zahteva pridobivanje podatkov iz podatkovnega strežnika. 28

31 Zgodovinar oz. baza podatkov je programska storitev za shranjevanje časovno žigosanih podatkov, matematičnih dogodkov in alarmov v bazi podatkov, za katere se poizveduje, ali uporablja za zapolnitev grafov v HMI. Zgodovinar zahteva pridobivanje podatkov strežnika. Nadzorni računalnik MTU združuje zahtevane podatke in pošilja ukaze v proces. Komunikacijske infrastrukture povezujejo nadzorni sistem z uporabniki. 8.3 Pojasnite uporabnost SCADA sistemov Uporabljajo se predvsem tam, kjer imamo velike kompleksne razvejane sisteme, kateri zahtevajo veliko koordinacije in usklajevanja. Npr. v proizvodnih enotah (elektrarne), razvejanih omrežjih, distribuciji, kompenzacijskih napravah, industriji, sistemih za upravljanje stavb, etc. Skratka, v velikih sistemih, kjer skušamo delovati preudarno in v realnem času, predvsem pa skušamo tudi kaj avtomatizirati in optimirati. 8.4 Naštejte prednosti in slabosti Prednosti: Enostaven nadzor, Dobra uporabniška izkušnja, Možnost beleženja in shranjevanja podatkov, Možnost hitre prilagoditve opreme in preprogramiranja v primeru dograjevanja in Sposobnost izvajanja zahtevnih matematičnih operacij, hitro, učinkovito ter varno odzivanje. Slabosti: Določene pomanjkljivosti pred vdori v sistem s stališča varnosti in Potreba po izkušenem kadru za upravljanje in vzdrževanje sistema. 29

32 8.5 Naloga: Skicirajte principelno shemo ključnih komponent SCADA aplikacije (Slika 8.1) za uravnavanje faktorja delavnosti (cos φ). Rešitev: Slika 8.1: Avtomatska kompenzacija jalove moči oz. cos φ, [1]. Posamezne komponente in njih funkcije so opisane v poglavju (5.3.). Referenca: A. Sallam, O. Malik, Electric Distribution Systems, Hoboken, New Yersey 2011, [1]. 30

33 9 Literatura [1] A. Sallam, O. Malik, Electric Distribution Systems, Hoboken, New Yersey