5 pojęć, które należy znać z zakresu przemysłowych układów nadzoru i sterowania

Podobne, ale nie takie same

Postaram się przedstawić terminologię i różnice w sposobach akwizycji danych, które można spotkać w układach przemysłowych. Pojęcia SCADA, DCS, RTU, PLC czy cyfrowe przetworniki pomiarowe są bardzo ważne, jeżeli chcemy rozmawiać o systemach telemechanicznych czy telemetrycznych zarówno dla zarządzania procesami produkcyjnymi jak i układami elektroenergetycznymi.

Rozwińmy teraz pięć podstawowych pojęć:

1.   SCADA

2.   DCS (Distributed Control System) – Rozproszone systemy sterowania

3.   PLC (Programmable Logic Controller) – Programowalne sterowniki logiczne

4.   RTU (Remote Terminal Units) – Zdalne jednostki końcowe

5.   Cyfrowe przetworniki pomiarowe (Smart instruments)

1. System SCADA

Poprzez system SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition),  należy rozmieć system / układ zbudowany ze zdalnych urządzeń (RTU) zbierających dane z obiektu i przesyłających je poprzez sieć komunikacyjną do stacji centralnej (serwera oraz stacji operatorskiej).

Stacja centralna wyświetla zebrane dane, a także umożliwia operatorowi wykonywanie zdalnego sterowania.

Aktualne dane (zwykle zbierane w czasie rzeczywistym) pozwalają na optymalizację działania procesu produkcyjnego lub układu elektroenergetycznego. Kolejną korzyścią jest wsparcie przy coraz istotniejszym predykcyjnym utrzymaniu ruchu, co prowadzi do wydajniejszej, niezawodnej i co najważniejsze, bezpieczniejszej pracy. To wszystko, w konsekwencji może dać niższe koszty eksploatacji w porównaniu do wcześniejszych systemów niestelemechanizowanych.

Często pojawiają się nieporozumienia między definicją systemów SCADA a systemem sterowania procesem. SCADA bardziej kojarzy się ze zdalnym nadzorem.

Pomyślna instalacja systemu SCADA zależy od wykorzystania sprawdzonej i niezawodnej technologii oraz odpowiedniego przeszkolenia całego personelu w zakresie obsługi systemu.

Często spotyka się przykłady nieudanych systemów SCADA lub gorzej wdrożonych systemów SCADA – do czynników przyczyniających się do takich porażek jest niewystarczająca integracja różnych elementów systemu, niepotrzebna złożoność systemu, zawodny sprzęt, niesprawdzone oprogramowanie czy po prostu nieprzemyślana koncepcja systemu (na zasadzie „zróbmy coś nowoczesnego” ).

Obecnie niezawodność sprzętu jest mniejszym problemem, a nowe wyzwania stawia przed nami rosnąca złożoność oprogramowania wraz z koniecznością częstych jego aktualizacji wynikających z rozwoju platform sprzętowych, na których jest instalowana.

Na marginesie należy zauważyć, że wielu użytkowników ocenia system SCADA nie tylko na podstawie płynnego działania RTU, łączy komunikacyjnych, ale głównie przyjaznej dla użytkownika warstwy operatorskiej.

Schemat prostego systemu SCADA przedstawiono poniżej.

Rys.1 – Prosty system SCADA

W bardziej złożonym systemie SCADA istnieje zasadniczo pięć poziomów struktury:

1.   Obiektowe urządzenia wykonawcze

2.   Jednostki zbierające dane (RTU)

3.   System komunikacji

4.   Jednostka centralna / serwer

5.   System przetwarzający dane z warstwą operatorską.

Urządzenia RTU stanowią interfejs dla sygnałów analogowych i cyfrowych zbieranych z obiektu..

System komunikacji zapewnia łączność między jednostką centralną a lokalizacjami zdalnymi (sterownikami obiektowymi). Takim systemem komunikacji może być łączność radiowa, połączenie sieciowe via linie telefoniczne (np. DSL), sieci GSM, satelitarne, dedykowane przemysłowe sieci LAN czy po prostu sieć LAN. Do wydajnego i optymalnego przesyłania danych wykorzystuje się specjalizowane protokoły danych.

Jednostka centralna / serwer zbiera dane z różnych RTU, jak również zapewnia warstwę operatorską do wyświetlania informacji, jak również do sterowania zdalnego.

Technologia SCADA istnieje od wczesnych lat sześćdziesiątych, a obecnie istnieją dwa inne konkurencyjne podejścia – rozproszony system sterowania (DCS) i programowalne sterowniki (PLC).

Rozważania dotyczące systemu SCADA

Kwestie, które należy brać pod uwagę przy projektowaniu systemu SCADA to:

• Ogólne wymagania dotyczące nadzoru procesu lub układu
• Wymagana częstotliwość akwizycji danych
• Ilość stacji centralnych (serwerów) oraz stacji operatorskich
• Wymagania w zakresie wizualizacji danych
• Wymagania dotyczące archiwizacji danych
• Wymagana niezawodność / dostępność systemu
• Szybkość komunikacji / czas aktualizacji / szybkość skanowania systemu
• Możliwość rozbudowy
• Oprogramowanie systemu
• Liczba punktów analogowych oraz cyfrowych
• Konieczność, możliwość sterowania
• Wymagania dla redundancji systemu

Zalety systemu SCADA

Oczywiście, jak w przypadku każdego wydatku, początkowy koszt systemu SCADA musi być uzasadniony. Kilka przykładowych powodów wdrożenia systemu SCADA to:

1. Poprawa działania procesu lub układu, co skutkuje oszczędnościami dzięki optymalizacji wynikającymi z zainstalowania systemu
2. Zwiększona produktywność personelu
3. Zwiększone bezpieczeństwo procesu lub układu dzięki większej dostępności do informacji i lepszej kontroli
4. Ochrona wyposażenia zakładu
5. Ochrona przed awarią w nadzorowanym procesie lub układzie
6. Poprawę efektywności energetycznej zakładu dzięki optymalizacji instalacji
7. Wsparcie przy procesach predykcyjnego utrzymania ruchu
8. Wymagania prawne dotyczące bezpieczeństwa i pomiarów mediów

2. Rozproszone systemy sterowania – DCS (Distributed Control System)

W systemie DCS, funkcje gromadzenia danych i sterowania są wykonywane przez szereg rozproszonych jednostek opartych na mikroprocesorach, umieszczonych w pobliżu kontrolowanych urządzeń lub aparatury, z których zbierane są dane.

Systemy DCS ewoluowały w systemy zapewniające bardzo wyspecjalizowane możliwości sterowania oraz zapewniające bardzo wysokie poziomy bezpieczeństwa.

Przy obecnej technice, warstwy operatorskie stanowią bardzo przyjazne dla użytkownika środowiska ułatwiające operatorom nadzorowanie procesów. Ponadto nowe środowiska można w relatywnie prosty sposób konfigurować, przez co posiadają duże możliwości adaptacyjne. Magistrale danych w tych systemach są zwykle przystosowane do pracy przy dużych prędkościach przesyłu danych.

Rysunek 3 – Rozproszone systemy sterowania – DCS (Distributed Control System)

3. Programowalne sterowniki logiczne – PLC (Programmable Logic Controller)

Od późnych lat siedemdziesiątych sterowniki PLC, stanowiące połączenie logiki drabinkowej i półprzewodnikowych modułów wejść i wyjść (I/O), zaczęły zastępować analogowe układy oparte na przekaźnikach

Sterowniki PLC często używane przy wdrażaniu systemu SCADA oraz DCS, ponieważ oferują rozwiązanie sprzętowe, które są ekonomiczne.

Technika sterowników rozwinęła się na tyle, że obecnie posiadają bardzo szeroką gamę produktową, począwszy od najprostszych modeli, tzn. przekaźników programowalnych, poprzez rozwiązania kompaktowe i modułowe, aż do skomplikowanych układów o możliwościach zbliżonych do komputerów przemysłowych.

Dzięki zaimplementowanym programom sterowniki PLC mogą prowadzić procesy akwizycji danych oraz sterowania procesami. 

Rysunek 4 – System sterowników PLC 

4. Zdalne jednostki końcowe – RTU (Remote Terminal Units)

RTU – określane jako zdalna jednostka końcowa, jak sugeruje nazwa, jest samodzielną jednostką pozyskiwania i kontroli danych. Urządzenie oparte na mikroprocesorze. Jego podstawowym zadaniem jest kontrola i pozyskiwanie danych z urządzeń procesowych czy  elementów rozdzielnic elektrycznych oraz przesyłanie ich do koncentratora danych / sterownika.

Ma możliwość konfiguracji lokalnej lub zdalnej. Dodatkowo istnieje również możliwość z lub poprzez inną jednostkę obsługową RTU.

Standardowo RTU komunikują się z koncentratorem danych / sterownikiem, lecz istnieje również możliwość komunikacji na zasadzie peer-to-peer z innymi RTU. RTU może również działać jako stacja pośrednicząca dla innych RTU, które mogą nie być dostępne bezpośrednio z koncentratora danych.

Typową konfigurację RTU przedstawiono poniżej.

Rysunek 5 – Typowa architektura urządzenia RTU 

Elementy urządzeń RTU

• Procesor oraz  związana z nim pamięć
• Wejścia analogowe
• Wyjścia analogowe
• Wejścia licznikowe
• Wejścia cyfrowe
• Wyjścia cyfrowe
• Interfejsy komunikacyjne
• Zasilacz
• Szafa RTU i obudowa

5.  Cyfrowe przetworniki pomiarowe (Smart instruments)

Ostatnim rodzajem urządzeń, o których należy wspomnieć to cyfrowe przetworniki pomiarowe (Smart Instruments), z którą mogą łączyć się zarówno sterowniki PLC jak i całe systemy DCS.

Są to cyfrowe inteligentne (oparte na mikroprocesorze) czujniki pomiarowe (np. przepływomierze) z możliwością komunikacji.

Rysunek 6 – Przykład przetwornika pomiarowego

Literatura: Practical SCADA for Industry by David Bailey, Edwin Wright