Maturski rad iz osnova automatskog upravljanja – SCADA sistemi
Matović Stefan
1
1. UVOD
SCADA (
Supervisory Control And Data Acquisition)
je систем који служи за
аутоматизацију општих процеса, односно који се користе за прикупљање података са
сензора и инструмената лоцираних на удаљеним страницама и за пренос и приказивање
тих података у централној станици у сврху надзора или управљања. Прикупљени подаци
се обично посматрају на једном или више SCADA рачунара у централној (главној)
станици. SCADA систем у реалности може да прати и управља и до стотинама хиљада
улазно-излазнох вредности. Уобичајени аналогни сигнали које SCADA систем надзире
(или управља) су нивои, температуре, притисци, брзине протока и брзине мотора. Типични
дигитални сигнали за надзор (управљање) су прекидачи нивоа, прекидачи притиска, статус
генератора, релеји и мотори.
Као што јој и само име каже, она нема потпуну контролу над системом, већ је више
фокусирана ка нивоу надгледања и надзирања. Као таква, она је софтверски пакет који је
позициониран на самом врху хардвера на који се односи, углавном преко PLC-a или другог
комерцијалног хардверског модула. SCADA системи се користе не само у већини
индустријских процеса као што су прављење челика, производња и дистрибуција струје
(конвенцијалне и нуклеарне), праћење и контрола хемијских и транспортних процеса,
градских водоводних система, већ се тако све више користе у свакодневном животу.
SCADA системи су постигли суштински напредак током протеклих година у смислу
функционалности и перформанси (слика 1.).
Слика 1: Место SCADA система у примеру управљања
Maturski rad iz osnova automatskog upravljanja – SCADA sistemi
Matović Stefan
2
Термин SCADA се обично односи на централни систем који надгледа и контролише
читаву фабрику или систем који је распрегнут на велике даљине (километри). Највећи део
контроле једне станице се у ствари врши аутоматски од стране PLC-a. Главне контроле
функције су скоро увек забрањене контролеру у станици. На пример, PLC може да
контролише проток воде за хлађење кроз део индустријског процеса, али SCADA систем
може да дозволи оператеру да промени задату вредност протока и може да снима и
приказује било која алармна стања, као што су губитак притиска или висока температура.
Прикупљање података почиње на нивоу PLC-a и укључује очитавање величина и
стасуса. Затим се подаци који су потребни шаљу на SCADA систем, где се преводе и
форматирају на такав начин да оператер у контролној соби уз помоћ интерфејса може, на
основу њих, донети одговарајуће одлуке које могу бити потребне да би се подесиле или
преписале нормалне PLC-ове контроле. Подаци се тако не могу чувати у историјату, који
је често подржан базом података, ради приказа трендова и других аналитичких радњи.
SCADA систем типично имплементира дистрибуирану базу података, која се често зове и
база тагова
, која се састоји од елемената званих
тачке
или
тагови
. Таг представља једну
улазну или излазну вредност која се прати или којом се управља од стране система. Тагови
могу бити „хард“ (тврди) или „софт“ (меки). Тврди таг представља стварну вредност
улазног или излазног сигнала, док је меки таг резултат логичких и математичких операција
примењених на тврди таг. Већина интерпретација концептуално уклања ове границе
називајући тврде тагове најпростијим случајем меког тага. Вредности тагова се обично
чувају као комбинација вредност-време; вредност и временски тренутак када је та
вредност снимљена или израчуната. Серија вредност-време комбинација је историјат тог
тага.
SCADA рачунар је обично индустријски PC на коме се извршава софистицирани
SCADA HMI софтвер HMI(Human-Machine Interface – Спрега између човека и рачунара) је
апарат који процесне податке представља оператеру и кроз који оператер контролише
процес. Основи интерфејс оператера је скуп графичких екрана који приказују
репрезентацију опреме која се посматра. Типичан HMI се састоји од угнежденог
деривацијског стабла мноштва таквих екрана. HMI индустрија је у основи рођена из
потребе за стандардизацијом начина праћења и контролисања удаљених контролера са
више позиција, PLC-ова и других контролних уређаја. Док PLC-ови омогућавају
аутоматско, пре-програмско вођење процеса, они су обично раштркани по целој фабрици,
чиме је ручно прикупљање података са њих отежано. Историјски, PLC-ови немају
стандардизован начин приказивања информација оператеру. Док SCADA систем прикупља
информације са PLC-ова и других контролера преко неке врсте мреже, затим комбинује и
форматира те информације. HMI може такође бити повезан са базом података, да би
обезбедио приказивање трендова, дијагностичких података и менаџерских информација.
Три компоненте SCADA система су:
Вишеструке удаљене терминалне јединице (PLC-ови),
Главна станица (Master Station) и HMI компјутер(и),
Комуникацијска инфраструктура.
Термин „главна станица“ се односи на сервере и софтвер за комуникацију са
опремом, а онда и на HMI софтвера који се извршава на једном или више рачунара у
контролној соби, или негде другде. У мањим SCADA системима, главна станица може
бити само један PCрачунар, док у већим SCADA системима, главна станица се може
састојати од више сервера и дистрибуираних софтверских апликација.
Maturski rad iz osnova automatskog upravljanja – SCADA sistemi
Matović Stefan
4
2. Историјат
SCADA је највероватније логична последица развоја телеметрије из прве половине
двадесетог века. Ракетна и авио технологија нису биле у стању да приуште људство које би
истраживало планетарне податке о времену. Станице са људима на површини Земље као
што су светионици, поште, метеоролошке станице и сл. су могле да прикупљају и прате
метеоролошке податке. Међутим, за прецизну временску прогнозу, биле су потребне
много прецизније информације из атмосфере. Тако су се јавила два питања која су
захтевала одговоре. Како се прецизни подаци могу прикупити из атмосфере и слати ка
постројењу на Земњиној површини? И, како се подаци могу прикупљати из много
положаја и снимати у централизованој локацији како би се ту анализирали и тако
предвиделе временске прилике. До решења се дошло по угледу на железничке компаније
које су користиле телеметријске уређаје. Железнице су користиле телеметрију у сврху
прикупљања података о локацији возова и положају скретница. У току овог времена,
напредак у радио технологији је довео до уклањања потребе за постављањем стотине
километара жица. Развитак у корекцији грешака и компресији података омогућио је да
више информација буде поуздано послато путем радио таласа. Током двадесетог века, све
више индустрија, као што су аутоматизоване фабрике, гасна, електрична и водена
постројења, су почеле да користе телеметријски систем за надзор процеса и удаљених
станица. Двосмерна радио комуникација је постала уобичајена у раним шездесетим. Тада
су израчунавања у великим рачунарским станицама постала парадигма. Терминали без
сопствене интелигенције су користили рачунарске станице за извршавање прорачуна и
чување података. Овај метод је превазиђен у раним осамдесетим са развојем
микрокомпјутера. Ера микрокомпјутера је дозволила да информације и интелигенција
буду корисницима на дохват руке. Микрокомпјутери су омогућили да управљање
процесором буде дистрибуирано између удаљених станица, ослобађајући их зависности од
централне рачунарске јединице. До касних осамдесетих, индустрија је почела да прелази у
еру дистрибуираних система. Ова ера је окарактеризована интеграцијом WAN-a (Wide
Area Network) и Lan-a (Local Area Network), отвореним стандардима и моделовањем
релационих информација. У касним деведесетим, се појавила нова ера компјутера описана
као ера свеприсутности. Ово је време када су сви типови мрежних конфигурација, WAN i
LAN постали схватљиви. У току ове ере потреба за „мастер-славе“ SCADA системом је
знатно смањена. Сада програмабилни језички контролери имају могућност прикупљања
података и управљања локалним станицама. Тако су се почели мењати и корисници
SCADA система. Индустрије типа електричних постројења су задржале централизовану
филозофију. Међутим, компаније за производњу нафте и гаса су прешле на више
децентрализован начин, враћајући контролу у руке оператера специјалиста. То је довело до
новох тренда међу програмерима SCADA система. Док су актуелни системи нагињали ка
програмирању логике за PLC лоциран на удаљеним станицама, развијен је нови метод
враћања кода под контролу централне јединице.
Од самог почетка у шездесетим, SCADA је схваћена као систем чији су главни
интерес били улази и излази са удаљених терминалних јединица (Remote Terminal Units -
RTU). У раним седамдесетим је развијенDCS (Distributed Control System). ISA S5.1
стандард дефинише DCS као
систем који се иако функционално интегрисан, састоји од
подсистема који могу бити физички раздвојени и удаљени један од другог.
DCS је
првобитно развијен према потребама великих предузећа и процесних постројења који су
захтевали знатну количину аналогног управљања.
Maturski rad iz osnova automatskog upravljanja – SCADA sistemi
Matović Stefan
5
Основне разлике између SCADA система и DCS-а су:
o
Историјски гледано, DCS користи програмабилни језички контролер, а SCADA
користи удаљене терминале јединуце (RTU).
o
PLC поседује већи ниво интелигенције од RTU-а.
o
За разлику од RTU-а , PLC је у могућности да контролише станице без дирекција од
стране „
мастера
“.
Линија између ова два система је знатно избледела у касним деведесетим. SCADA
системи су поседовали способности DCS-а и DCS је поседовао способности SCADA
система. Системи су једноставно, прилагођени операцијама којима управљају.
Системи инсталирани у седамдесетим и осамдесетим се данас обично зову
„Системи Диносауруси“. Били су велики, били су скупи и владали су планетом. Сви ови
системи су произвођени и инсталирани од стране једне компаније која је била одговорна за
тоталну манипулацију система. Те компаније су имале своју линију опреме (дизајнирану и
произведену „in-house“) и софтвер. Оне су обично биле одговорне за инжињеринг,
конфигурацију, комуникацијску мрежу, инсталацију и комисију. Протоколи између RTU-a
и главне станице су били у приватном власништву, као што је био и софтвер у базној
станици и чешће хардвер у базној станици. За веће системе централна станица је била
миникомпјутер и врућа резерва који су разговарали кроз разноврсне приватне уређаје са
комуникацијском мрежом. Преоријентисан систем је специфично планиран да глатко
замени компјутере, комуникацијску опрему и периферне уређаје. Софтвер је такође писан
да комуницира са RTU-овима истих компанија и да у потпуности искористи све
карактеристике. Систем комуникација је био обезбеђен од стране продавца. Био је изабран
да одговара RTU-у и технологији главне станице. Комуницирање је било типично путем
копнених линија или путем UHF радија. Брзина се кретала између 300 и 1200 bps (бита по
секунди). Удаљене терминалне јединице (RTU-ови) су биле дизајниране и произвођене од
стране продавца тако да одговарају начину комуникације и способностима главне станице.
Удаљене терминалне јединице су произвођене од стране исте компаније која је давала (и
писала) софтвер за базну станицу и комуникацијску опрему. Многи корисници су били
веома срећни у данима диносауруса. Систем је био добро разумљив, генерално је радио
добро и имао је карактеристике као што је врућа резерва које су радиле боље него следећи
системи. Већина ових система су били предвидљиви. Када дође до било ког проблема био
је потребан добављач да га реши. Обучавање о систему је било обезбеђено у виду
стандардних курсева од стране добављача. Постојао је један сет приручника. Иако су ови
системи радили добро и били високо поштовани притисак за промене је дошао из
неколико фактора:
Корисник је био таоц продавца – било је финансијски и оперативно непрактично
тотално се одрећи система А за систем В. Појединцу је било недоступно знање о томе шта
све може добављачев систем – ако Систем А није могао нешто што је могао Систем В није
постојао лак начин да се постигну способности Система В осим преласка на Систем В.
3. Данашњи системи
Данашњи системи још задржавају завештање од диносауруса. Поштено је рећи да је
већина SCADA система у овом тренутку у стању транзиције од ранијих система до много
отворенијих система са вишеструким добављачима и пружачима услуга. Већина система
се састоји од бројних компоненти варирајућих функционалности и старости. Системи
