POLITECHNIKA RADOMSKA

im. Kazimierza Pułaskiego

Wydział Transportu

PRACA PRZEJŚCIOWA

gr. ISP

ZASTOSOWANIE PROGRAMU HMI/SCADA

Radom 2008

Spis Treści:

1. WSTĘP

Program SCADA przeznaczony jest do przedstawiania na ekranie monitora komputerowego stanów wejść i wyjść sterownika lub grupy sterowników połączonych w sieć. Głównym założeniem programu jest możliwość tworzenia aktywnych plansz poglądowych, pokazujący faktyczne funkcjonowanie obiektu ze sterownikami (wizualizacja). Właściwy efekt można uzyskać, dzięki wyświetlaniu na ekranie monitora planszy poglądowej, ze swobodnie rozmieszczonymi punktami - wskaźnikami stanów wejść i wyjść sterownika,. Wskaźniki mogą być dwustanowe lub analogowe, przedstawiane w formie grafu lub wyświetlanej liczby. Tak prezentowana informacja o działaniu obiektu (monitorowanie), znacząco ułatwia jego nadzorowanie, a to pozwala osiągać faktyczne lub potencjalne (rozumiane choćby jako ograniczenie skutków awarii) oszczędności.

Program SCADA wymaga systemu operacyjnego : WIN 98,2000, NT, XP lub nowszego. Komputer powinien być wyposażony w port RS232 lub USB . W drugim przypadku potrzebny jest jeszcze konwerter USB/RS232

2. HMI/SCADA

HMI (Human Machine Interface) to aplikacja, która w formie graficznej prezentuje operatorowi aktualne informacje o przebiegu monitorowanego procesu, przyjmuje i przekazuje jego polecenia do urządzeń sterujących procesem. Monitorowanie procesu może być realizowane przez HMI jako jego zaawansowana funkcja - wówczas aplikacja jest określana jako HMI/SCADA (Human Machine Interface/ Supervisory Control and Data Acquisition).

2.1 Funkcje i sterowanie procesem HMI/SCADA

System rejestruje dane z produkcji najczęściej za pośrednictwem sterowników PLC i modułów RTU (Remote Terminal Unit), które zazwyczaj połączone są bezpośrednio z

Rys. 1 Schemat RTU

urządzeniami wykonawczymi (zawory, pompy, itp.) i pomiarowymi (czujniki temperatury, poziomu itp.). Różnice między urządzeniami wymienionych typów polegają na tym, że RTU służą do rejestrowania zadanych parametrów i przekazywania informacji o nich do systemu, podczas gdy sterowniki PLC mają za zadanie kierować pracą urządzeń odpowiedzialnych za utrzymanie zadanych parametrów. Zadania te spełniają przez uruchamianie stosownych funkcji określonych urządzeń w odpowiedzi na wartości mierzonych parametrów.

Na przykład za pomocą modułów RTU można monitorować temperaturę w pomieszczeniach, natomiast sterowniki PLC znajdą zastosowanie w automatycznej klimatyzacji.

2.2 Archiwizacja danych i raportowanie

Wszystkie zarejestrowane dane mogą być gromadzone, archiwizowane i porządkowane w formie różnych raportów. HMI/SCADA przewiduje również możliwość tworzenia zapasowych zbiorów danych.

Rys. 2 Schemat PLC

2.3 Alarmowanie

Istotną funkcją większości programów HMI/SCADA są alarmy. Kiedy zostaną osiągnięte cyfrowe parametry określone jako „alarmowe”, alarmy są aktywowane i uwaga operatora jest kierowana na odpowiednią część systemu. Sposób wyświetlania alarmów może być uzależniony od typu alarmu, zmiennej, grupy alarmowej. Wyświetlanie alarmów może być także uzależnione od nazwy stacji roboczej. Często są wysyłane e-maile i wiadomości tekstowe ostrzegające menedżerów niezależnie od powiadamiania operatorów systemu.

2.4 Struktura systemów

Aplikacje HMI/SCADA mogą być stosowane do pracy na pojedynczym komputerze, co jest użyteczne dla firm, gdzie jeden komputer nadzoruje jeden proces produkcyjny. Wówczas każda stacja jest w pełni niezależna, chociaż możliwe jest połączenie tych stacji bez ponoszenia dodatkowych kosztów.

W podstawowych wersjach aplikacji sieci mogą obejmować do kilkunastu komputerów, wersje bardziej zaawansowane mogą obsługiwać odpowiednio większą liczbę komputerów.

Centralną część systemu stanowi stacja główna z zainstalowaną aplikacją HMI/SCADA. Te serwery odpowiedzialne są za komunikację ze sprzętem na instalacji lub w obiekcie (głównie moduły RTU, sterowniki PLC), a następnie z interfejsem HMI działającym na stacjach roboczych w pomieszczeniu lub pomieszczeniach operatorskich. Inne komputery włączane do sieci mogą pełnić funkcję np. bazy danych zapasowych, archiwum lub służyć do komunikacji z Internetem przez stronę www.

Informacje o bieżącym przebiegu procesu prezentowane są na ekranach - tendencją rozwoju interfejsów operatorskich jest wzrost zastosowania paneli dotykowych.

2.5 Infrastruktura komunikacyjna

Kluczowe dla aplikacji HMI/SCADA jest zagadnienie łączności. Dane z urządzeń końcowych (RTU i PLC) rozmieszczonych na monitorowanej instalacji lub obiekcie są transmitowane do stacji głównej z aplikacją HMI/SCADA obecnie jeszcze najczęściej drogą przewodową, głównie przez Ethernet, RS-232, protokoły IP, modem. Z rozwiązań bezprzewodowych korzysta obecnie tylko ok. 20 proc. użytkowników systemów HMI/SCADA, ale współczynnik ten będzie się powiększał, ponieważ łączność bezprzewodowa jest wygodniejsza w użyciu, a instalacja takiego systemu lub wprowadzanie w nim zmian nie powoduje przerw w pracy i odbywa się mniejszym kosztem niż w przypadku instalacji kablowej.

Do minusów komunikacji bezprzewodowej należy jej wolniejsze tempo i niższy poziom bezpieczeństwa - ze względu na możliwość „podsłuchiwania” przekazów radiowych.

Łączność stacji głównej z interfejsem bądź Internetem lub też innymi elementami systemu (komputery bazy danych, gromadzące dane historyczne i dane zapasowe) odbywa się już drogą kablową, głównie przez Ethernet, protokoły TCP i IP. Rzadziej stosuje się światłowody (SONET).

2.6 Przeznaczenie aplikacji

Ze względu na możliwość pracy w sieci i różnicowania rodzaju informacji dostępnych równocześnie na różnych stacjach, a także możliwość stopniowania uprawnień użytkowników w zakresie dostępu do systemu oraz ingerencji w proces produkcyjny i sam system, oprogramowanie HMI/SCADA stanowi skuteczne narzędzie pracy dla osób zatrudnionych na różnych szczeblach zarządzania produkcją:

• na hali produkcyjnej system pozwala operatorom produkcji kontrolować proces realizowany bezpośrednio przez maszynę, linię produkcyjną czy instalację;

• z tej samej aplikacji mogą korzystać kierownicy zmian, kontrolujący przebieg produkcji w całym zakładzie - mają oni dostęp do danych wyższego rzędu;

• technolodzy produkcji w tym samym czasie na podstawie danych gromadzonych i archiwizowanych przez HMI/SCADA mogą ustalać parametry procesu produkcyjnego;

• kadra inżynierska odpowiedzialna za utrzymanie ruchu w zakładzie zyskuje wiedzę np. na temat efektywności wykorzystania maszyn, historii przestojów i awarii.

Rozwiązania typu HMI/SCADA są szczególnie przydatne dla dyspozytorów różnych sieci: tych mniejszych, które mogą być zarządzane z pojedynczego stanowiska, po duże, które ze względu na skalę wymagają hierarchizacji dostępu operatorów do informacji i uprawnień zarządczych.

3. Kierunki rozwoju aplikacji HMI/SCADA

HMI/SCADA najczęściej stanowi element większych systemów informatycznych do kontroli produkcji, umożliwiających kompleksową automatyzację przedsiębiorstwa, analizowanie danych i zarządzanie. Oprócz aplikacji wizualizacyjnej system taki tworzą: MES (Manufacturing Execution System), programy do tworzenia i zarządzania przemysłowymi bazami danych, portal raportowy (do pracy w Internecie) oraz różne aplikacje do zarządzania produkcją.

Rys. 3 Schemat systemu HMI/SCADA z serwerem aplikacji HMI/SCADA.

Oprogramowanie wizualizacyjne samo też spełnia coraz więcej funkcji. Czytelne jest zainteresowanie rynku ofertą oprogramowania dla serwerów aplikacji HMI/SCADA. Takie rozwiązanie zapewnia pełną skalowalność systemu i umożliwia tworzenie aplikacji z gotowych elementów-obiektów pochodzących od klienta, przechowywanych w „bibliotece” tworzonej przez klienta. Dzięki temu aplikacje HMI/SCADA to w coraz większym stopniu platformy informatyczne, stanowiące jednolite środowisko do tworzenia i zarządzania różnymi aplikacjami. Swobodne tworzenie nowych programów i rozbudowa systemu możliwe są w dowolnym czasie i mogą być realizowane przez sieć w dowolnym miejscu systemu.

Aplikacje HMI/SCADA są wzbogacane o pewne funkcje MES, gdyż powiększa się zakres możliwości gromadzenia danych operacyjnych z produkcji i operowania nimi w formie różnorodnych raportów. Jednocześnie postępuje integracja aplikacji HMI/SCADA z MES-em: dane z procesów są w coraz większym stopniu dostępne dla specjalistów zarządzania produkcją. Postęp ma miejsce w zakresie integracji oprogramowania ze sprzętem do jego obsługi - panelami operatorskimi. Producenci oprogramowania wprowadzają skrypty ułatwiające wizualizację i analizę danych, dających użytkownikom możliwość tworzenia wyświetlaczy dla stacji roboczych, różnego rodzaju przeglądarek, paneli PDA oraz tabletów i paneli dotykowych.

4. System sterowania i monitorowania węzłów cieplnych w Kołobrzegu

Podstawowym zadaniem przedsiębiorstwa Miejska Energetyka Cieplna w Kołobrzegu jest zaopatrywanie odbiorców w energię cieplną. Eksploatuje ono 11 źródeł ciepła o łącznej mocy 113,3 MW. Głównym źródłem ciepła jest Ciepłownia Centralna zlokalizowana przy ul. Kołłątaja w Kołobrzegu. Łączna moc 6 kotłów węglowych wynosi 104,7 MW. Stanowi to 92,5% mocy wszystkich źródeł. MEC posiada również niezależną kotłownię gazową o mocy 7,2 MW na osiedlu w Podczelu oraz 9 gazowych kotłowni lokalnych o łącznej mocy 1,7 MW. Moc Ciepłowni Centralnej produkowana jest poprzez cztery kotły typu WR-10 oraz dwie jednostki typu WR-25, które są opalane miałem węglowym.

4.1 Sieć ciepłownicza

Dostarczanie ciepła do poszczególnych budynków odbywa się poprzez sieci cieplne. Łączna długość wszystkich sieci cieplnych wynosi 32,5 km. W celu utrzymania sprawności sieci grzewczej woda kotłowa przygotowywana jest w stacji uzdatniania. Tam jest ona oczyszczana z wszelkich związków organicznych sprzyjających osadzaniu się kamienia. Oczyszczanie jest przeprowadzane za pomocą filtrów węglowych oraz specjalnych związków chemicznych, np. sody kaustycznej.

Woda grzewcza wprowadzana jest systemem czteroprzewodowym i zaopatruje część uzdrowiskową miasta w wodę technologiczną oraz pozostałych odbiorców w ciepło o parametrach zmiennych. Zasilanie budynków w ciepło odbywa się poprzez 215 węzłów cieplnych, z których 191 podłączonych jest do Ciepłowni Centralnej, a 24 do kotłowni Podczele.

W związku z potrzebą szybkiego reagowania przez centralną dyspozytornię na wszelkiego rodzaju awarie sieci cieplnych oraz na nieprawidłowości w pracy węzłów cieplnych położonych w wielu punktach miasta, MEC Kołobrzeg podjął decyzję o wykonaniu zdalnego systemu monitoringu i kontroli pracy węzłów cieplnych.

4.2 Łączność

Przedstawiany system monitoringu powstał na bazie oprogramowania wizualizacyjnego Citect SCADA v. 6.0. Oprogramowanie to jest standardem całego systemu monitorowania w ciepłowni MEC Kołobrzeg.

Dostarczono nowy serwer pracujący pod kontrolą systemu operacyjnego Windows Server 2003. Wizualizację węzłów dołączono do istniejącej aplikacji obsługującej całą ciepłownię. Jako protokół komunikacji wybrano Modbus TCP, gdyż ethernet dzięki swojej uniwersalności, ciągłemu rozwojowi i różnego rodzaju konwerterom protokołów stał się obecnie standardem również w rozwiązaniach przemysłowych.

Zbudowano osobną sieć komunikacyjną, opartą o radiowy ethernet (WLAN) w standardzie 802.11a, który wykorzystuje częstotliwość 5 GHz. Jego podstawowa prędkość to 54 Mb/s, ale w praktyce działa najlepiej w granicach 20 Mb/s.

Sieć radiowa w przypadku węzłów cieplnych okazała się doskonałą alternatywą dla innego rodzaju systemów komunikacyjnych, i stanowi w tej aplikacji rozwiązanie nowatorskie. Pozbyto się problemu kładzenia długich odcinków kabli między poszczególnymi punktami a ciepłownią i uzyskano swobodny i łatwy dostęp do sieci węzłów cieplnych.

Należy pamiętać, że zasilacz z trójfazowym wyjściem można obciążyć w każdej fazie 1/3 jego mocy znamionowej nawet przy nieobciążonych pozostałych fazach. Po przeciążeniu którejkolwiek fazy zasilacz może przejść w tryb pracy „by-pass”, co skutkuje brakiem możliwości bezprzerwowego podtrzymania napięcia wyjściowego po zaniku napięcia w sieci zasilającej.

Rys. 4 Ogólny schemat systemu sterowania i monitoringu w MEC Kołobrzeg

System kontroli węzłów opracowano i wykonano we współpracy z firmą TechBase Sp. z o.o. która dostarczyła sprzęt niezbędny do komunikacji aplikacji wizualizacyjnej z regulatorami i licznikami ciepła zamontowanymi na poszczególnych węzłach. Komunikację oparto o konwertery Modbus TCP do Satchwell™ MN300, MN440, MN500, MN620 (RS485 NCP protokół) typu I-7188E2-S-NCP. Pozwalają one na podgląd i modyfikację parametrów regulatorów ciepła podłączonych do portu RS485 poprzez protokół komunikacyjny NCP oraz na monitorowanie parametrów liczników ciepła (Mbus) podłączonych do portu RS232 poprzez konwerter RS232/Mbus (M-bus Master).

Możliwości konwertera są wykorzystane w wykonanym systemie wg poniższego zestawienia:

• monitorowanie wartości parametrów regulatorów serii NCP poprzez sieć Modbus TCP;

• obsługa regulatorów: MN300, MN440, MN500, MN620, liczników ciepła - Mbus;

• możliwość zmiany oprogramowania regulatorów;

• administracja konwerterem poprzez lokalny lub zewnętrzny PC terminal (TELNET);

• ściąganie i zapisywanie plików konfiguracyjnych i plików z danymi (FTP klient; dane ściągane, odczytywane i zapisywane są przez aplikację wizualizacyjną raz na dobę - co zapewnia ciągłość ich zapisu w formie wykresów);

• zapis danych (512 kB RAM z podtrzymaniem bateryjnym - dane zapisywane są co 10 min przez 72 godz.).

Po kontrolowanym lub niekontrolowanym zaniku transmisji danych wszystkie dane z węzła są przechowywane w konwerterze przez 72 godziny i po powrocie transmisji (komunikacji) automatycznie przekazywane do serwera.

Rys. 5 Schemat komunikacji między poszczególnymi elementami systemu monitoringu pojedynczego węzła

4.3 Możliwości systemu

Zainstalowana aplikacja pozwala dyspozytorom MEC na zdalne programowanie regulatorów ciepła umieszczonych na poszczególnych węzłach z ekranu komputera umieszczonego w centralnej dyspozytorni (klient typu Display). Zapewnia to szybki dobór, zmiany i pogląd parametrów pracy węzła. Ponadto pozwala poprzez schematy synoptyczne, wykresy i wartości chwilowe parametrów na bieżąco śledzić pracę węzłów cieplnych, wykrywać i lokalizować stany awaryjne oraz dokumentować przebiegi procesów zachodzących w węzłach.

Aplikacja sygnalizuje przekroczenia progów alarmowych parametrów węzła. Umożliwia pogląd danych z liczników ciepła. Dane zapisane w pamięci nieulotnej konwertera ściągane są co 24 godziny i w sposób ciągły zapisywane w formie wykresów. Zapewnia to nieprzerwaną rejestrację danych, nawet w razie zaniku komunikacji poprzez Ethernet.

Rys. 6 Okno wizualizacji pracy węzła Nr 056

Rys. 7 Okno wizualizacji regulatora ciepła węzła Nr 056

5. Podsumowanie

System sterowania i monitorowania węzłów cieplnych zainstalowany w Kołobrzegu zapewnia uzyskanie oszczędności w gospodarowaniu energią cieplną, zmniejszenie ubytków wody w sieci, uzyskanie informacji o rzeczywistym zużyciu energii cieplnej przez odbiorców oraz natychmiastową informację o stanach awaryjnych w pracy węzłów cieplnych. Umożliwia przeprowadzanie analiz długookresowych pracy węzłów, na podstawie gromadzonych wykresów i danych. Umożliwia obniżenie strat podczas przesyłu, zwiększając tym samym niezawodność pracy sieci i komfort odbiorców ciepła.

Można np. przewidywać rozwój oprogramowania do wykrywania i sygnalizacji alarmów lub wręcz wprowadzenie zaawansowanego oprogramowania do diagnostyki procesu. Jak widać aplikacje typu HMI/SCADA znajdują coraz szersze i pożyteczniejsze zastosowanie w przemyśle. Wizualizacja procesów daje o wiele więcej niż suche dane wyświetlane na monitorze, pozwala w łatwy sposób zrozumieć potrzebę i nieprawidłowości procesu.

6. Bibliografia

1. Raporty branżowe xtech.pl

http://www.hmi-scada.raport.xtech.pl/artykul.aspx?id=HMI_SCADA_wiedza&pg=1

2. Publikacja autorstwa Moniki Lewandowskiej z dnia: 22.11.2007 Raporty branżowe xtech.pl

http://hmi-scada.raport.xtech.pl/artykul.aspx?id=HMI_SCADA_raport&pg=4

3. Informacja o warunkach udostępniania i możliwościach wykorzystania programu SCADA firmy Array

http://www.telmatik.pl/download/fab/instscada.pdf

4. Jarosław Kurkowski - System sterowania i monitorowania węzłów cieplnych w Kołobrzegu

http://www.a2s.pl/images/pdf/Spin.pdf

5. „Programowanie systemów SCADA” Jakuszewski Ryszard

6. „Programowanie systemów SCADA Proficy HMI/SCADA - iFIX” - Jakuszewski Ryszard

7. „Programowanie systemów SCADA Proficy HMI/SCADA - iFIX4.0PL” - Jakuszewski Ryszard

Strona | 15

---