Ce este SCADA?• SCADA reprezintă tehnologia care permite unui utilizator să colecteze date de la unul sau mai

multe elemente/instalaţii/procese aflate la o anumitaâă distanţă şi să trimită instrucţiuni de control/comenzi către aceste elemente/ instalaţii /procese.

• SCADA face nenecesară prezenţa unui operator destinat a sta şi a vizita în mod frecvent procesul aflat la o oarecare distanţă, atunci când aceste procese operează normal.

• SCADA include o interfaţă-operator şi permite manipularea datelor legate de aplicaţia respectivă, dar nu se limitează la atât.

• Unii producători realizeză pachete software pe care le denumesc SCADA, ce sunt deseori realizate ca părţi ale unui sistem SCADA; deoarece ele sunt lipsite de legături de comunicaţie şi de celelalte echipamente necesare, ele nu pot fi denumite sisteme SCADA complete.

Definiţia SCADA• SCADA este un acronim care vine de la expresia din limba engleză „supervisory control and data

acquisition”. Chiar dacă expresia de la care vine termenul SCADA nu face referire la termenul distanţă, care este comun celor mai multe sisteme SCADA, acronimul SCADA este totuşi un acronim bun.

• Un sistem SCADA permite unui operator aflat intr-o locaţie centrală a unui proces distribuit pe o arie largă, precum un câmp petrolier sau de gaze, un sistem de distribuţie prin conducte, sistem de irigaţii sau un sistem hidroeletric, să realizeze schimbări de referinţe pentru controlerele proceselor aflate la distanţă, să deschidă sau să închidă valve sau comutatoare, să monitorizeze alarme, să strângă informaţii măsurate de la proces.

• Când dimensiunile procesului devin foarte mari – sute sau chiar mii de kilometri de la unul la celălalte – atunci se pot aprecia mai bine beneficiile aduse de SCADA, precum reducerea costurilor vizitelor de rutină pentru a monitoriza funcţionarea instalaţiilor/proceselor.

• Valoarea acestor beneficii va creşte şi mai mult dacă aceste instalaţii sunt foare depărtate şi cer un efort deosebit pentru a fi vizitate (de ex. utilizarea unui elicopter).

Procese potrivite utilizării SCADA• Tehnologia SCADA se pretează cel mai bine la procesele/instalaţiile:

– ce sunt împrăştiate pe o arie largă; – sunt relativ simplu de controlat şi monitorizat;

se cere o intervenţie frecventă, regulată sau imediată• Următoarele exemple de astfel de procese pot ajuta pentru a înţelege domeniul de aplicabilitate

SCADA: – Grupuri de mici staţii hidroelectrice care sunt oprite sau pornite ca răspuns al cererii

consumatorilor şi sunt localizate în locuri îndepărtate. Ele pot fi controlate prin deschiderea sau închiderea valvelor unei turbine, trebuie monitorizate continuu, şi trebuie să răspundă relativ repede la cererile de putere ale reţelei electrice.

• - Instalaţiile de producere a petrolului sau gazului – incluzând sonde, sisteme de depozitare, echipamente de măsurare pentru fluide, pompe – sunt deseori împrăştiate pe o arie întinsă; cer un control relativ simplu precum pornirea oprirea unor motoare, este nevoie de strângerea unor informaţii ce se măsoară regulat, şi trebuie să răspundă rapid la condiţiile din restul instalaţiilor.

• - Sistemele de transport prin conducte pentru gaz, petrol, substanţe chimice, apă, au elemente care sunt localizate la distanţă faţă de un punct central de control, pot fi controlate prin închiderea sau

1

deschiderea unor valve sau pornirea sau oprirea unor pompe, şi trebuie să fie capabile să răspundă rapid la condiţiile pieţii sau la o scurgere de materiale periculoase, dăunătoare mediului ambiant.

• - Sistemele de transport a energiei pot acoperi mii de kilometri pătraţi, pot fi controlate prin deschiderea sau închiderea unor comutatoare, şi trebuie să răspundă relativ imediat la schimbări ale încărcării de sarcină pe unele linii/reţele.

• - Sistemele de irigaţii acoperă deseori sute de kilometri pătraţi, pot fi controlate prin închiderea sau deschiderea unor simple valve, şi cer colectarea datelor măsurate pentru apa furnizată clienţilor.

• Aceste exemple sunt doar atât - exemple. SCADA a fost cu succes instalat pe fiecare din aceste tipuri de procese la fel ca pe multe altele.

• Tipurile de control prezentate în aceste exemple pot da o impresie greşită că SCADA nu este aplicabilă pe procese ce cer un control complex.

• Complexitatea unui control de la distanţă posibil cu SCADA a crescut odată ce tehnologia s-a dezvoltat (cu dezvoltările tehnologice).

• Semnalele tipice ce sunt colectate de la instalaţiile aflate la distanţă includ alarme, indicatoare de stare, valori analogice, valorile tuturor aparatelor de măsură.

• Totuşi, un domeniu vast de informaţii pot fi colectate cu această aparentă listă limitată de tipuri de semnale.

• În mod similar, semnalele trimise de la locaţia centrală SCADA către instalaţiile din teren sunt uzual limitate la mărimi binare sau valori analogice transmise unui dispozitiv din proces.

Un exemplu de mărime binară (a cărei valoare binară se schimbă) poate fi o comandă de oprire a unui motor. Un exemplu de valoare analogică poate fi o comandă de schimbare a referinţei unui controler de valvă la 70%. Dând tipuri de semnale simple ca acestea, cu ceva imaginaţie se pot realiza multe modificări ale controluluiElementele unui sistem SCADAÎn locaţia centrală este situat operatorul, al cărui acces la sistem se face printr-o interfaţă-operator, ce este deseori denumita consolă operator. Consola operator funcţionează ca o fereastră utilizator/operator a procesului. Este constituită dintr-o unitate de afişare video (video display unit - VDU) care afişează date în timp real despre proces şi o tastatură pentru introducerea comenzilor operator sau a mesajelor către proces. Alte dispozitive, precum “trackball”, “mouse” sau “touch-screen”, pot fi şi ele utilizate. Dacă sistemul este simplu, poate fi suficient a avea un set de ferestre de mesaje/anunţuri, ce imită condiţiile procesului aflat la distanţă

• Dispozitivul de intrare al operatorului este uzual o tastatură de calculator, deşi dispozitive precum “touchscreen”-urile şi „mouse” au câştigat în popularitate. Pentru sisteme foarte simple un set de comutatore electrice simple poate fi de-ajuns. Operatorul interfaţează cu unitatea master (master terminal unit – MTU), care este controlerul sistemului. În unele industrii se utilizează termenul de „host computer”, în loc de MTU. Altele utilizează termenul de “server”. În acest curs cei trei termeni sunt consideraţi echivalenţi.

• Unitatea master (MTU) în sistemele SCADA moderne se bazează întotdeauna pe un calculator. Poate monitoriza şi controla procesul chiar dacă operatorul nu este prezent. Realizează aceasta prin intermediul unui secvenţiator încorporat ce poate fi programat să repete instrucţiuni/comenzi la intervale stabilite de timp. De exemplu, poate fi programat să ceară un update de la fiecare unitate RTU (remote terminal unit) la fiecare 6 minute.

• Unităţile master MTU pot comunica cu unităţile RTU aflate la distanţă faţă de locaţia centrală.

2

• Un sistem SCADA poate avea doar câteva unităţi RTU sau poate avea câteva sute de astfel de unităţi.

• Există două medii de comunicaţii: linia terestră, care ia forma cablului de fibre optice sau cablului electric care aparţine fie companiei fie e închiriat de la o companie de telefonie sau transmisie radio.

• În fiecare caz, este nevoie de un MODEM, care MOdulează şi DEModulează un semnal purtător. • Unele sisteme mari pot utiliza o combinaţie de linii radio si telefonice pentru comunicaţii. • Una din caracterisiticile distinctive ale sistemelor SCADA este că procesele lor tind să fie simple.

Din acest motiv, cantitatea de informaţie transmisă printr-un sistem SCADA tinde să fie mică, şi de aceea, rata de transfer a datelor la care lucrează modem-ul este de asemenea mică. Deseori 300 bps (biţi pe secundă) este suficient. Sunt şi excepţii, unde sistemele SCADA trebuie să opereze la rate de transfer de peste 2400 bps.

• Normal, unităţile MTU au dispozitive auxiliare (de ex. imprimante, memorii backup) ce se conectează la acestea. Acestea se consideră ca făcând parte din unitatea master MTU.

• În multe aplicaţii, i se cere unităţii MTU să trimită informaţii către alte calculatoare sau sisteme. Aceste conexiuni pot fi prin cabluri dedicate între unitatea MTU şi celelalte calculatoare, dar în noile sisteme SCADA ele sunt predominant conectate în reţea de tip LAN (local area network).

• De asemenea, în cele mai multe sisteme SCADA, unitatea MTU trebuie să primească informaţii de la alte calculatoare. Deseori programe aplicative ce operează pe alte calculatoare ce sunt conectate la calculatorul SCADA, furnizează o formă de control supervizor asupra SCADA.

Unităţile RTU comunică cu unitatea MTU printr-un semnal modulat transmis pe un cablu sau radio. Fiecare unitate RTU trebuie să aibă capacitatea să înţeleagă că un mesaj a fost direcţionat către ea, să decodifice mesajul, să acţioneze în urma mesajului recepţionat, să răspundă dacă este necesar, şi de a se opri în aşteptarea unui nou mesaj.

• Acţionarea în urma recepţionării mesajului poate presupune o procedură foarte complexă. • Poate cere verificarea poziţiei curente a unui echipament din câmp, compararea poziţiei curente

cu cea cerută, transmiterea unui semnal electric la un dispozitiv din câmp care comandă schimbări de stări, verificarea unui set de comutatoare pentru a se asigura că comanda a fost executată, şi transmiterea unui mesaj înapoi la unitatea master MTU pentru a confirma că noua condiţie a fost atinsă.

• Din cauza acestei complexităţi, cele mai multe unităţi RTU se bazează pe tehnologia unui calculator.

• Conexiunile dintre unitatea RTU şi dispozitivele de câmp sunt de cele mai multe ori realizate prin cabluri electrice (fire/conductori electrice). În mod uzual, unitatea RTU furnizează puterea electrică atât pentru senzori cât şi pentru actuatoarele de putere mică/joasă. În funcţie de proces, cerinţele de siguranţă pot necesita utilizarea unei unităţi UPS (uninterruptible power supply) pentru a se asigura că întreruperi ale alimentării electrice nu cauzează procesului ori siguranţei. Acest lucru este în mod particular important dacă sistemul SCADA este instalat pe un sistem de utilităţi electrice.

• Aşa cum o unitate MTU scanează fiecare unitate RTU, o unitate RTU scanează senzorii şi actuatoarele conectate la el. Totuşi, scanarea RTU este făcută la o viteză mult mai mare decât cea a scanării MTU.

3

Cap. 3. Sisteme în timp real• Pentru o perioadă lungă de timp, SCADA a operat independent de alte sisteme bazate pe

calculator, şi chestiunea dacă era un sistem în timp real a fost neimportantă. • Evoluând, totuşi, acum găsim că SCADA se interfaţează cu aplicaţii care pot opera fie pe bază

secvenţială sau pe o bază de cerinţe/priorităţi. • O analiză simplă despre ceea ce se aşteaptă să facă un sistem SCADA, şi ceea ce înseamnă

literele acronimului SCADA, conduc la concluzia că SCADA se află undeva între operarea în timp real şi cea de tip „batch”. Are elemente din fiecare.

Ce înseamnă în timp real• Termenul de control în timp real este definit ca fiind “controlul ce are legătură cu realizarea unui

calcul de-a lungul timpului prezent pe care îl petrece procesul fizic respectiv”. • În contextul SCADA el se referă la răspunsul sistemului de control la schimbările din proces. • În termeni riguroşi, un sistem de control în timp real este cel ce nu introduce întârzieri ori timpi

morţi între recepţia unei măsurători de la proces şi generarea unui semnal de control. • De fapt, aproape toate sistemele de control trebuie să introducă ceva întârziere. • Acelea ce introduc o întârziere fără efecte măsurabile sunt în mod uzual denumite sisteme de

control în timp real. • Cele mai multe sisteme ce controlează/conduc procese continue operează în timp real. • Variabila controlată este conectată la intrarea sistemului de control fără întârzieri. • Controlerul operează asupra acestui semnal cu algoritmul de control pe cât de repede posibil. • Variabila manipulată este transmisă procesului imediat. • Întârzieri există în partea de control a sistemului, dar ele sunt menţinute uzual la valori foarte

mici.

• În figura 3.2. este pezentat un sistem SCADA simplu cu unitatea master MTU scanând trei unităţi RTU. Masterul MTU cere unităţii RTU numărul 1 (RTU #1) informaţii despre debit prin FE-101, apoi cere fiecărei unităţi RTU informaţii despre debite de la elementele lor de debit.

• Intervalul de scanare („scan period”) reprezintă timpul dintre prima conversaţie cu o unitate RTU şi următoarea conversaţie cu aceeaşi unitate RTU.

• Este evident că constrângerile unui sistem SCADA şi metoda lui de scanare la viteză mică vor introduce o întârziere.

• Fig. 3.2.

4

• Figura 3.3. prezintă întîrzierea. Decizia dacă să se permită ca controlul să fie afectat de către intervalul/perioada de scanare poate fi luată doar de către cel ce este familiar cu (cunoaşte bine) procesul.

• În primele etape de proiectare a unui sistem SCADA, perioada de scanare poate fi selectat să micşoreze câteva dintre efectele întârzierilor.

• În particular, sistemele ce indică stări ori alertează operatorii asupra condiţiilor din proces ce sunt afară din domeniu (alarme) încearcă să introducă întîrzieri cât mai mici ce sunt „fezabile economic”.

• Aceasta este o frază importantă când discutăm despre SCADA. Nu înseamnă „cât de mici (ca şi durată) posibile”. Însemnă că timpul de răspuns pentru alarmare trebuie să fie luat în considerare când determinăm cât de rapid trebuie să cunoască operatorul alarma.

• Următoarele 3 exemple ne vor ajuta să înţelegem/clarificăm acest lucru. • Pentru fiecare exemplu, s-a considerat o problemă de proces sau un defect de echipament. • Sistemul SCADA semnalizează operatorului existenţa unei condiţii de alarmă. • Operatorul răspunde apoi pentru a readuce procesul în parametri nominali. • Exemplu 3.1. O condiţie de afară din limite (domeniu): O pompă pe o conductă de petrol aflată la

locaţia 10-22 s-a oprtit. Astfel de pompe scot petrolul din rezervoarele subterane. Când pompa se opreşte, fluxul de petrol se opreşte.

• Semnalul de alarmă: Pompa 10-22 oprită.• Răspunsul probabil: La următoarea vizită programată în această parte a câmpului perolifer,

operatorul îşi va planifica să petreacă destul timp la această locaţie pentru a determina cauza defectării pompei, va scrie o descriere a defectului, şi va suna personalul de mentenanţă/service să o repare.

• Întârzierea fezabilă economic pentru acest răspuns este de ordinul orelor – probabil de 24 de ore. • Exemplu 3.2. O condiţie de afară din limite (domeniu): O pompă electrică submersibilă pe o

conductă de petrol localizată la locaţia 6-33 s-a oprit.• Semnalul de alarmă: Pompa 6-33 oprită.• Răspunsul probabil: Pompele electrice submersibile sunt scumpe, pompează volume mari. Din

acest motiv, ele sunt instalate pe conducte de volume mari. Deoarece această conductă produce o cantitate foarte mare de petrol şi timpul de nefuncţionare este important pentru companie, un echipaj de mentenanţă va fi disponibil, zi şi noapte, de indată ce se primeşte alarma.

• Întârzierea fezabilă economic pentru acest răspuns este de ordinul minutelor – probabil de o oră. • Exemplu 3.3. O condiţie de afară din limite (domeniu): Un comutator electric dintre generatorul

G510 şi sistemul de distribuţie electrică s-a deschis.• Semnalul de alarmă: Comutatorul generatorului G510 deschis.• Răspunsul probabil: Un generator ce se află în stadiul rezervă caldă (în funcţiune) va fi conectat

la reţeaua electrică cât de repede posibil.• Întârzierea fezabilă economic pentru acest răspuns este de ordinul secundelor – probabil 5

secunde.

5

• Din aceste exemple, este clar că timpul cerut de răspuns al procesului trebuie să fie luat în considerare când determinăm ce este şi ce nu este „timp real”.

• Vorbind riguros, timp real înseamnă răspuns fără întârziere mărurabilă. • Practic, timp real înseamnă că întârzierea sistemului nu este destul de mare pentru a introduce

probleme în controlul procesului. • Din acest motiv, în mare se consideră SCADA ca fiind un control în timp real, chiar dacă i se

asociază o întârziere recunoscută. Accesul la comunicaţie şi “Master-Slave”

• Dispozitivele electronice pot “discuta” între ele în diferite moduri. • În funcţie de scopul “conversaţiei” lor, viteza cerută de comunicare, şi starea dispozitivelor relativ

una la cealaltă, pot fi utilizate diferite metode de acces la comunicaţie. • Ambele cereri de comunicaţie determină şi sunt controlate de către un protocol de comunicaţie

selectat/stabilit. • Acesta nu este un text de comunicaţie, aşa că el nu va descrie multe din metodele de acces la

comunicaţie care există. • Metoda de comunicaţie utilizată de cele mai multe sisteme SCADA este denumită “master-

slave”. • În metoda “master-slave”, doar unul din dispozitive (în acest caz unitatea MTU) este capabil să

iniţieze comunicaţia. Unitatea MTU cheamă/sună o unitate RTU, dă instrucţiuni, cere actualizarea informaţiilor, şi comandă unităţii RTU să răspundă. Apoi unitatea MTU ascultă răspunsul. Unitatea RTU răspunde de îndată ce unitatea MTU a terminat de transmis, apoi opreşte transmisul şi aşteaptă noi ordine. Unitatea master MTU se mută către altă unitate RTU şi aplică aceeaşi procedură. Unitatea master MTU “vorbeşte” cu fiecare unitate RTU, apoi se întoarce la prima unitate RTU. Unitatea RTU nu poate iniţia un mesaj; poate trimite un mesaj doar când unitatea MTU a ordonat în mod specific să facă acest lucru.

• Procesul de a comunica cu fiecare RTU în ordine şi apoi întoarcerea la prima unitate RTU pentru a începe ciclul şi a-l repeta la nesfârşit este denumit „scanning” (baleiere/scanare).

Determinarea perioadei de scanare• Controlul nu trebuie compromis de către întârzieri excesive. • Există constrângeri de timp impuse de către rata la care se pot transfera datele între unitatea

master MTU şi unitatea RTU. • De accea se urmăreşte care este cea mai buna rată la care se poate scana RTU pentru date. • Unul din factorii ce determină perioada de scanare trebuie să fie numărul de unităţi RTU care

trebuie scanate. • O estimare a numărului probabil de unităţi RTU, făcută timpuriu în faza proiectării, probabil va fi

suficientă pentru a determina care este numărul acesta. • Un al doilea factor ce trebuie luat în considerare este cantitatea de date care trebuie comunicată la

fiecare “conversaţie”. • Aceasta va fi determinată de către dimensiunea procesului/instalaţiei de la fiecare locaţie

îndepărtată şi de mărimea independenţei (capacitatea de exercitare a controlului) sistemului de control aflat la acea locaţie.

6

• În funcţie de acestea, datele de comunicat pot fi de la cel puţin starea unui punct de măsură până la sute de stări sau puncte de alarmare, precum şi câteva zeci de valori de la instrumente de măsură şi zeci de valori analogice.

• Pentru a fi comunicată, fiecare stare de alarmare cere unu (uzual) sau doi biţi (mai rar) de date. • Deoarece fiecare instrument de măsură sau valoare analogică va fi transcrisă ca un cuvânt binar,

fiecare punct cere aproximativ 16 biţi (poate varia în funcţie de echipament). • Pentru simplitate ca de altfel şi pentru motive de siguranţă, cel mai bine se selectează cel mai

mare RTU când se evaluează punctele de măsură. • Înmulţind acest număr cu numărul total de unităţi RTU se obţine numărul total de date ce se

comunică de către toate unităţile RTU. • Comunicaţia înseamnă o conversaţie în ambele direcţii. • Este important a include timpul scurs ca unitatea master MTU să comunice cu fiecare RTU. • Acesta include timpul ca MTU sa ceară date unităţii RTU şi timpul ca MTU să dea alte instrucţini

fiecărei unităţi RTU. • Din nou, în perioada de proiectare cea mai bună cale de a lua în consideraţie aceşti doi timpi este

de a evalua care din procese cere cel mai lung mesaj şi apoi de a-l mutiplica cu numărul de unităţi RTU.

• Aceasta poate oferi un rezultat acoperitor deoarece mesajele de la MTU la RTU sunt uzual mai scurte decât mesajele de la RTU la MTU.

Evaluarea fiecărei unităţi RTU în mod individual poate fi benefică dacă exerciţiul se realizeză pe un sistem existent

• Al treilea factor este rata de transfer a datelor. • Numărul de biţi pe secundă (bps) ce pot fi transmişi prin mediul de comunicaţie este important în

determinarea perioadei de scanare, dar în fazele timpurii de proiectare acest număr poate fi flexibil. Numărul de bps pot fi schimbaţi pentru a găsi un optim.

• La acest punct în procesul de determinare a perioadei de scanare, considerăm că există două grupări a ratelor de transfer.

• Prima, care este utilizată pe liniile telefonice si cele mai multe sisteme de comunicaţie UHF radio-modem, este între 300 şi 2400 bps. Utilizarea a 1200 bps în calcule va da o estimare iniţială bună.

• Cea de-a doua grupare de rate de transfer o regăsim pentru mediile de comunicaţie speciale. Ea poate fi de la cel puţin 19200 bps la 10 milioane de bps.

• Pentru sisteme complexe ce cer astfel de rate de transfer în echipa de proiectare va fi un specialist care poate furniza o rată de transfer corespunzătoare pentru acest calcul.

• Cel de-al patrulea factor în determinarea perioadei de scanare este eficienţa comunicaţiei, care poate fi gândită ca fiind următorul raport: timpul petrecut cumunicând/mutând data de interes împărţit la timpul total petrecut pentru comunicaţie.

• Cea mai mare parte a ineficienţei este evidentă. De exemplu, o parte a fiecărui mesaj trebuie să includă adresa unităţii RTU, care nu este o dată care să fie de interes real pentru a fi reţinută.

• O parte a ineficienţei nu este evidentă, totuşi. Codurile de detecţie a erorilor sunt frecvent utilizate, şi acestea iau timp de comunicaţie.

• Similar, timpii de comutare radio pot lua mai mult timp decât un mesaj. • Se poate utiliza ca o primă aproximare următoarele valori ale eficienţei comunicaţiei: linie

telefonică dedicată – 70%, radio – 40%, linie telefonică dial-up – mai mică de 1%.

7

• Exemplu 3.4. Pe baza procedurii prezentate, se calculează perioada de scanare pentru un sistem SCADA.

• Iniţial sistemul are 7 unităţi RTU, dar numărul acestora va fi crescut la eventual 20. De aceea numărul de unităţi luat în calcul este de 20.

• Cea mai mare unitate RTU are următoarele puncte/date de comunicat: • 140 puncte de stare 140• 30 alarme 30• 10 instrumente de măsură (la 16 biţi fiecare) 160• 10 puncte analogice (la 16 biţi fiecare) 160

• Unitatea master MTU trimite următoarele date către RTU:• 150 puncte de control discret (valve, motoare) 150• 6 poziţii pentru motor pas cu pas (la 16 biţi fiecare) 96• 10 referinţe pentru un controler (la 16 biţi fiecare) 160

• Număr total de puncte 896 • Rata de transfer a datelor pe un mediu ce utiliuează undele radio UHF: 1200 bps • Eficienţa comunicaţiei, pentru unde radio UHF, este de 40%. • Prin urmare, 20 x 896 = 20.000 biţi de comunicat la o rată de transfer de 1200 bps, care va lua

20.000 biţi / 1200 bps = 17 secunde la o eficienţă de 100%.• La o eficienţă de 40%, perioada de scanare este de 17 secunde / 0,4 = 42,5 secunde. • Din punct de vedere practic pentru o proiectare bună este bine să rotunjim cele 42 de secunde la 1

minut. Având calculată această valoare, este inteligent să ne asigurăm că nici o funcţie a procesului nu va fi afectată în mod nefavorabil de o întârziere de 1 minut.

• Dacă există astfel de funcţii dar doar la una sau două unităţi RTU, aceste probleme ar putea fi rezolvate prin scanarea acestor unităţi RTU de două ori pe o perioadă de scanare.

• Exemplu 3.5. Dacă perioada de scanare a fost acceptabilă pentru toate unităţile RTU cu excepţia unităţii RTU numărul 5, într-un sistem de 5 unităţi RTU, programul scanării ar putea fi setat astfel:

• RTU 1, RTU 2, RTU 5, RTU 3, RTU 4, RTU 5, RTU 1, ...• Cu o astfel de soluţie există limite cât de des aceasta poate fi făcută fără să degradeze restul

sistemului. • Dacă pentru cele mai multe unităţi RTU funcţiile procesului sunt la limită sau perturbate din

punct de vedere temporal, cea mai bună soluţie ar fi creşterea ratei de transfer a datelor (în cazul prezentat de la 1200 bps la 2400 bps).

• Este important de reţinut că dublarea ratei de transfer nu înseamnă reducerea perioadei de scanare la jumătate.

• Eficienţa comunicaţiei este o funcţie neliniară de rata de transfer. • Dacă se identifică mai multe probleme şi procesul cere un timp de răspuns care este cu un ordin

de mărime mai mic decât îl permit problemele, este necesar sa revedem metoda de comunicaţie. • E posibil ca numite funcţii să fie înlăturate din sistemul SCADA. • O asigurare trebuie făcută pentru eventuale adăugiri, creşteri ale numărului de date a fi transmise. • Cele mai multe sisteme SCADA au funcţii ce s-au adăugat de-a lungul vieţii/funcţionării lor;

funcţii ce au fost şterse/înlăturate. Unde se fac calculele?

8

• Când călătoreşti pe o autostradă care este bine luminată cu lămpi cu mercur sau sodiu se poate observa că spiţele capacului de roată al maşinii alăturate sunt vizibile şi se rotesc uşor – câteodată înapoi, câteodată înainte.

• Acesta este efectul stroboscopic şi se întâmplă deoarece luminile străzii emit/răspândesc o explozie de lumină la fiecare 1/50 secunde (sau 1/60 secunde). Dacă spiţele capacului de roată se rotesc astfel încât o spiţă este la (sau lângă) aceeaşi poziţie la care o altă spiţă a fost cu 1/50 (sau1/60) secunde mai devreme, ochii vor fi păcăliţi gândind că ei văd aceeaşi spiţă.

• Acest lucru e interesant, dar ce are de-a face cu SCADA? Dacă atributele fizice ale procesului de controlat, incluzând ce-a mai înaltă frecvenţă naturală a procesului, sunt cunoscute, frecvenţa “aliasing” poate fi calculată.

• Parametrii procesului pot fi eşantionaţi efectiv la frecvenţe mai mari decât frecvenţa “aliasing” dar nu la frecvenţe mai mici. Acest test simplu de cât de frecvent poate fi eşantionat un proces ne poate spune dacă frecvenţa de scanare este adecvată pentru eşantionare.

• Dacă este adecvat şi dacă măsurătoarea nu este prea critică, procesul poate fi eşantionat, datele brute pot fi scanate, calculele poate fi făcută de către MTU, şi rezultatul poate fi trimis înapoi către RTU şi procesat.

• Pe de altă parte, acele procese care au frecevenţele “aliasing” mai înalte decât frecvenţa de scanare selectată trebuie să aibă calculele făcute înainte de scanare. Aceste calcule trebuie să aibă loc in unitatea RTU sau în alte echipamente ce se află la aceeaşi locaţie cu RTU.

• Următoarele două exemple vor ilustra acest punct.• Exemplu 3.6. Considrându-se, ca la Exemplu 3.4., că o perioadă de scanare de 1 minut este

practic, determinaţi unde trebuie să fie realizate calculele pentru a măsura cantitatea de apă furnizată de o conductă utilizând un sistem de măsurare a rezervorului. Astfel de sisteme de măsurare sunt utulizate la fermele irigate pentru a urmări cantitatea de apă deversată pe câmp.

• Apa curge în rezervor până ce acesta se umple, apoi se opreşte. O valvă este apoi deschisă pentru a începe curgerea apei din rezervor către câmp. Când rezervorul devine gol, valva se închide şi rezervorul se reumple. Durează 4 minute să se umple rezervorul şi tot 4 minute să se golească. Senzorii de stare pe valva de scurgere sunt monitorizaţi de către un sistem SCADA.

• Întrebare: Poate fi totalizat debitul de apă la unitatea MTU? • Răspuns: deoarece perioada de scanare este de 1 minut şi frecvenţa “aliasing” (cea mai mare

frecvenţă ciclică din proces) este de un ciclu (al valvei de reumplere) de 4 minute, acest calcul poate fi acceptat să fie făcut la unitatea master MTU.

• Exemplu 3.7. Întrebare: Presupunând aceleaşi condiţii ca în Exemplul 3.6, cu excepţia că golirea rezervorului se face în 40 de secunde, poate fi totalizat debitul de apă la uniattea MTU?

• Răspuns: Deoarece valva de golire are frecevenţe de operare (un ciclu / 40 secunde = 0,025 Hz) mai mari decât frecvenţa de scanare (un ciclu / 60 secunde = 0,017 Hz), vor fi cicluri prea scurte pentru ca valva să fie închisă apoi deschisă înainte ca sistemul SCADA să încheie o scanare. Unitatea master MTU nu va avea cum să ştie că ciclul s-a realizat. În acest caz, totalizarea debitului de apă trebuie făcută la RTU. De notat că întreaga operaţie s-ar cicla/repeta în mai puţin de o perioadă de scanare, dar dacă partea din ciclu care este ciclu de eşantionare în mai puţin decât o perioadă de scanare se vor obţine măsurări greşite. Unitatea RTU ar trebui să utilizeze o frecvenţă de eşantionare mai mare decât frecevenţa de scanare a MTU şi destinată să acopere frecvenţa “aliasing” a procesului.

9

• Aceasta nu este o cerinţă deosebită. Perioadele de scanare în unităţile RTU sunt uzual de ordinul milisecundelor.

4.Controlul de la distanţă• Fiecare tehnologie are aplicaţii care par foarte potrivite acesteia, alte aplicaţii care par parţial

potrivite, şi un grup de aplicaţii pentru care pur si simplu nu se poate utiliza. • Pentru o tehnologie nouă, adesea nu este clar care sunt aplicaţiile ce ar trebui evitate. • O dată cu maturizarea tehnologiei, experienţa clarifică aplicaţiile potrivite.

. Legea lui Murphy şi controlul de la distanţă („remote control”)• Legea lui Murphy! • Un sistem de control de la distanţă sau un sistem de achiziţii de date pot lucra fără greşeală până

în momentul în care un mesaj trebuie neapărat trimis sau o dată/informaţie esenţială pentru continuitatea financiară a companiei ar trebui să-şi urmeză drumul de la un capăt la celălalt al sistemului. Atunci el va eşua.

• Acest lucru se poate testa. • Se pot realiza toate tipurile de evaluări ale fiecărei componente a unui sistem. • Se pot rula teste de verificare a performanţelor pe întregul sistem. • Se pot consulta experţi. • De câte ori se spune de către un specialist tehnic în mentenanţă/service: „Acest sistem trebuie să

fie absolut de încredere. Nu s-a defectat de când sunt eu aici.” Credeţi: Dacă depinde-ţi de un sistem de control de la distanţă care implementează funcţii critice, el va da greş. Cu cât este funcţia mai critică, cu atât mai repede şi mai catastrofic el va da greş.

• De-a lungul anilor, semnalele care ar putea fi utilizate de un sistem SCADA au fost evaluate pentru a determina care din ele pot cauza o problemă.

• Semnalele specifice de care are nevoie o anumită industrie variază, dar tipurile generale de semnale sunt cam aceleaşi.

Două tipuri nu ar trebui să depindă de SCADA: primul este sistemul de siguranţă iar cel de-al doilea este sistemul de urmărire a produselor care va fi utilizat pentru plata taxelor şi aşadar va cere auditareSistemele de siguranţă

• Toate procesele trebuie să fie echipate cu sisteme de siguranţă în cazul în care prin defectarea unei părţi a lor ar putea răni un muncitor sau ar putea cauza stricăciuni unei echipament sau mediului.

• Sistemele de siguranţă ar trebui proiectate să nu ia în seamă sistemele normale de control. • Ele pot fi iniţializate manual sau automat. • Un sistem normal de control este proiectat să monitorizeze parametrii de operare ai procesului şi

să facă ajustările necesare menţinerii procesului în parametri normali. • Acesta va asigura ca producţia să aibă parametri predefiniţi şi ca procesul şi echipamentele să nu

aibă scurgeri, să nu ia foc, sa nu explodeze ori să nu intre în contact periculos, dăunător cu personalul.

• Dar un sistem normal de control nu lucreză întotdeauna corespunzător. • Câteodată acest lucru se datorează unei defecţiuni mecanice. • Uneori materia primă nu are caracteristicile normale sau sursa energetică se defectează. • Ocazional, operatorul stabileşte parametri care sunt incorecţi pentru o funcţionare normală. • Trei caracterisitici în jurul cărora se proiectează sistemele de siguranţă:

1. Să fie capabile să nu ia în seamă sistemul normal de control.

10

2. Să nu utilizeze în comun componente cu sistemul normal de control. 3. Să fie cât de simple posibil.

• Dacă sistemul de siguranţă este proiectat să nu ia în seamă sistemul normal de control el poate opera ţinând procesul sigur chiar şi când au loc defectări simultane în sistemul de control.

• Dacă sistemul de siguranţă este proiectat aşa încât integritatea sa nu depinde de funcţionarea continuă a acelor elemente ale sistemului normal de control, încrederea comună a celor două sisteme va fi îmbunătăţită.

• Şi, dacă sistemul de siguranţă urmează maxima armatei americane: “KISS” (Keep It Simple, Stupid!), cu număr minim de componente, contacte electrice, şi comenzi, el va lucra invariabil mai bine.

• Ultimele două din cele trei condiţii ale sistemelor de siguranţă aduc argumente împotriva includerii unui sistem SCADA într-un sistem de siguranţă.

• Ţinând seama de funcţionarea continuă a unui sistem de control, ar fi fezabilă legarea senzorilor şi actuatoarelor dedicate sistemului de siguranţă în cadrul unui sistem SCADA.

• De obicei nu ar fi fezabilă instalarea unei a doua unităţi RTU, sistem de comunicaţii sau unităţi MTU doar pentru sistemul de siguranţă.

• “Menţinerea simplă” poate fi un concept relativ, dar câţiva proiectanţi calificaţi ar putea argumenta că SCADA este suficient de simplă pentru a se înscrie ca un element corespunzător pentru un sistem de siguranţă.

• Asta nu înseamnă că SCADA nu poate fi utilizată pentru a creşte siguranţa diferitelor sisteme/proces răspândite geografic pe o anumita arie.

• Conductele sunt deseori protejate de scurgeri prin măsurarea debitului de intrare şi a celui de ieşire, făcând diferenţa între ele, şi închizând valvele de-a lungul conductei dacă diferenţa devine prea mare.

• Ce se poate spune, totuşi, este că caracteristicile senzoriale, logice şi de comandă ale unui sistem de siguranţă la un punct local nu se pot baza pe un sistem SCADA.

• De fapt, proiectarea unui proces ce va fi controlat şi monitorizat de către un sistem SCADA va trebui să includă întotdeauna o evaluare a rezultatului fiecărui tip imaginabil de defect al sistemului SCADA.

• Aceste evaluări/estimări vor identifica câteva defecte ce pot fi clasate ca fiind de “risc ridicat”. • Riscul se măsoară ca produs al probabilităţii şi consecinţei. • Dacă probabiltatea este mare şi consecinţa este neglijabilă, atunci riscul nu este prea ridicat. • Similar, dacă probabiltatea este aproape de zero dar consecinţa este mare, atunci riscul nu este

prea ridicat. Dar în condiţiile în care probabilitatea de defect este destul de mare şi consecinţele defectului destul de mari/serioase, astfel de condiţii indică o situaţie de risc ridicat.

• Evaluarea riscului devine o specialitate inginerească cu drepturi depline. • Ea ar trebui întreprinsă de persoanele ce sunt familiare cu procesul, echipamentul, condiţiile de

operare, şi metodele de evaluare. • De defectele de risc ridicat ar trebui să ne păzim prin instalarea de sisteme de siguranţă locală.

ISA a dezvoltat un standard, ANSI/ISA 84.01 – “Programmable Electronic Systems for use in Safety Systems”, care se ocupă de cerinţele sistemelor de siguranţă.

Figura 4.3 prezintă un exemplu de valvă operată SCADA cu o buclă locală. În acest caz, un nivel înalt de lichid va determina închiderea valvei chiar dacă sistemul SCADA încearcă să-l deschidă

11

• Exemplul următor ilustrează una din aplicaţiile de risc ridicat în care SCADA este implicată în sistemul de siguranţă.

• Exemplu. Un sistem SCADA monitorizează debitul/fluxul de intrare şi de ieşire a unui conducte de hidrocarbură lichidă.

• La unitatea MTU, calculele sunt făcute pentru a determina dacă debitul/fluxul de intrare este egal sau mai mic decât debitul/fluxul de ieşire.

• Dacă se măsoară mai mult lichid intrând în conductă decât cel ce iese din ea, unitatea MTU va recunoaşte o scurgere şi va trimite un mesaj către RTU de la fiecare capăt care va închide valvele de la cele două locaţii.

• Ca o alternativă, MTU poate trimte un mesaj de alarmă către operator care va decide apoi dacă să blocheze conducta prin intermediul valvelor operate de la distanţă.

• Murphy are puterea să facă ca sistemul de comunicaţie radio la una din locaţiile RTU sau MTU (sau la toate trei) să nu fie funcţional în acel moment.

• Mai mult decât permiterea ca pompa să continue pomparea petrolului în conductă, proiectantul ar putea presupune că unitatea MTU nu va trimite la timp comanda de oprire.

• O buclă de oprire locală, precum în figura 4.5, care se bazează pe o presiune scăzută sau pe o schimbare a presiunii nu va detecta scurgerile mici aşa de rapid dar va furniza protecţie pentru scurgerile mari. Cele mari sunt acelea cu cele mai severe consecinţe.

Cerinţele de reglementare• Calculatorul a adus perioada societăţii fără de hârtie. Acest lucru poate fi greu de crezut pentru

cineva care îşi păstrează e-mailurile tipărite. • Dar chiar dacă apărem ca o societate fără de hârtie, unele autorităţi insistă ca anumite date să aibă

un „drum al hârtiilor”. • Unele din aceste autorităţi au aproape la fel de multă putere ca Murphy. • Ele au cu siguranţă destulă pentru a-l face vrednic de ascultat de către proiectanţii de sisteme.

12

• Aceste autorităţi sunt acelea care sunt responsabile pentru a se asigura că taxele, redevenţele, impozite ş.a. sunt plătite la valoarea corectă.

• Cele mai multe companii urmăresc reglementările guvernamentale cerute ca ceva ce trebuie măsurat/contorizat şi măsurarea/contorizarea să fie raportată la una sau mai multe agenţii guvernamentale.

• Adesea, numerele/cifrele raportate reprezintă valori/cantităţi mari de bani care trebuie plătiţi guvernului.

• Exemple al acestui proces includ: măsurarea petrolului dintr-un rezervor, care cere plătirea unor taxe/acize, sau măsurarea apei de irigaţie de la un rezervor proprietate a statului, care cere plata unei taxe.

• Multe companii au asociaţi/colaboratori/parteneri, clienţi sau furnizori cu care schimbă produse. • Produsele pot reprezenta şi valori mari de bani cash. • Dacă fiecare din părţi este considerată a fi „sofisticată” regulile vor fi stabilite între vânzător şi

cumpărător pentru a guverna metoda de măsurare şi plată pentru transferul de produse. • Exemplele de acestea includ utilităţile electrice sau puterea electrică de-a lungul unei linii de

transmisie/transport pentru o taxă sau o companie de transport prin conducte ce transportă gaz natural printr-o conductă pentru un tarif.

• Unele industrii furnizează mii de cantităţi relativ mici de produse către publicul general. În aceste cazuri, valoarea monetară a fiecărei tranzacţii poate fi mică, dar există un mare număr de tranzacţii.

• Guvernele recunosc că publicul este “nesofisticat” la tehnicile contabile şi de măsurare. • Din acest motiv, ele adesea legiferează reglementări ca procedurile contabile şi de măsurare să

urmeze anumite forme. • Fiecare din aceste tipuri de tranzacţii vor fi cerute de către cel puţin una din părţi pentru a fi

stabilit un drum al hârtiilor. • Termenul de drum al hârtiilor vine de la metoda de auditare utilizată pentru a verifica dacă s-a

ţinut o contabilitate corectă. • Ei încep cu o hârtie, precum o cerere de cotaţie/ofertă. Apoi se mută la a doua hârtie, care ar putea

fi cotaţiile/ofertele trimise, şi apoi la următoarele hârtii, care ar putea fi evaluarea cotaţiilor/ofertelor, comenzile, bonurile de materiale, facturile, cecurile, şi apoi chitanţele finale.

• Urmând acest drum, ei pot determina dacă au fost urmate sau nu procedurile corespunzătoare, dacă a fost furnizată cantitatea corespunzătoare de materiale, dacă a fost plătită valoarea corectă de bani, şi dacă persoanele corespunzătoare au primit banii.

• Această procedură contabilă s-a dovedit a lucra bine. Nu se urmăreşte a fi înlocuită cu altă metodă doar deoarece sistemele SCADA sunt capabile de mutarea/transferul electronic de date care erau mutate/transferate în trei exemplare de hârtie în culori diferite.

• De fapt, curent se fac compromisuri pentru a permite ca nu numai înregistrările pe hârtie să facă parte din drumul hârtiilor.

• Multe din aceste compromisuri recunosc că datele electronice sunt mai efemere decât hârtia, şi ele prin urmare cer ca o perioada considerabilă de timp trebuie să treacă înainte ca această dată să poată fi ştearsă din dispozitivul de măsurare primară, chiar după ce a fost transmisă la dispozitivul de colectare a datelor.

Unele compromisuri sunt mai mari, cerând ca o tipărire fizică să fie făcută zilnic chiar dacă numerele chitanţelor sunt trimise electronic.

13

• Permisunea poate de asemenea fi făcută pentru faptul că programele de calculator proiectate a calcula volume sau cantităţi de energie pot fi schimbate mai uşor decât dispozitivele mecanice care se obişnuia a se utiliza pentru a face măsurători.

• Procedurile de securitate pentru dispozitivele pe care aceste programe de calculator se găsesc pot fi scumpe, chiar incluzând ţinerea lor în cutii metalice încuiate.

• Totuşi, abordarea mai probabilă, şi anume accesul controlat de parolă, este acceptabilă. • Drumul hârtiilor nu va fi probabil transformat/schimbat la forma fără hârtie, dar unele metode de

realizare a unui audit de cer a fi schimbate. • Aproape sigur, calcule/măsurătorile primare ar trebui făcute la locaţia RTU. • Ar trebui de asemenea păstrate la acea locaţie pentru o perioadă de timp, probabil pentru 35 de

zile. • Reglementările care se ocupă cu măsurători diferă de la o jurisdicţie la alta, de la o industrie la

alta. • Trebuie avut în vedere că astfel de reglementări sunt probabil acolo unde se transferă custodia

unui material. • Cu siguranţă trebuie planificată achiziţia datelor pe sistemul SCADA, dar de asemenea trebuie

planificată păstrarea datelor din alte motive. Comunicaţii

• Prin comunicaţie înţelegem transferul datelor de la o locaţie la alta (de la un sistem la altul). • Pentru a avea loc o comunicaţie trebuie să aibă loc câteva lucruri:

– În primul rând, trebuie să existe o cale de comunicaţie, existând câteva medii de transmisie ce pot fi folosite.

– În al doilea rând, trebuie să existe un echipament la capătul liniei de comunicaţie pentru a pune datele într-un format ce poate fi transmis de-a lungul mediului de comunicaţie.

– În al treilea rând, trebuie sa existe un echipament la celălalt capăt al liniei de comunicaţie pentru a extrage mesajul din ceea ce s-a transmis si a-i înţelege semnificaţia.

. Comunicaţia face posibil sistemul SCADA• Deoarece un sistem SCADA este constituit din una sau mai multe unităţi MTU ce trimit comenzi

şi primesc date de la una sau mai multe unităţi RTU, este clar că comunicaţiile joacă un rol vital în funcţionarea sistemului.

• Instalarea unui sistem SCADA se justifică pentru că permite controlul de la distanţă a unei instalaţii şi scade dificultatea sau costul de administrare a ei.

• În câteva cazuri, este periculos, nesănătos sau altfel spus neplăcut pentru ca o persoană să stea la acea locaţie (instalaţie, proces).

• În cele mai multe cazuri este prea scump să ai un operator care să stea la o locaţie pentru o perioadă extinsă de timp sau chiar pentru a vizita locaţia (instalaţia, procesul) o dată pe zi sau o dată pe schimb.

• Cât timp se pot stabili câteva tipuri de căi de comunicaţii între locaţiile aflate la distanţă şi locaţia centrală (master), datele se pot transmite. Dacă nu poate fi stabilită o cale de comunicaţie, nu se poate dezvolta un sistem SCADA.

. Date binare (digitale).Conversia analog-digitală

• Toate datele transmise între MTU şi unităţile RTU sunt date binare.

14

• Data binară poate fi creată de starea unui switch on-off sau poate fi o dată binară obţinută prin conversia uneia de formă analogică.

• Figura 5.1. arată ieşirea de la un limitator (switch) care poate fi utilizat pentru a indica starea unei valve.

• În Figura 5.1. (a), valva este deschisă şi ieşirea switch-ului este la 5 volţi. • În Figura 5.1. (b), valva este închisă şi ieşirea switch-ului este la 0 volţi. • De remarcat că ieşirea switch-ului este la 0 volţi atât timp cât valva nu este complet deschisă.

Această caracteristică poate fi utilizată ca un avantaj. Dacă e nevoie de ştiut când valva nu este închisă, se poate aranja a avea ieşirea la 5 volţi tot timpul cu excepţia când valva este închisă complet.

• Partea de jos a Figurii 5.1. (c) arată ieşirea switch-ului pentru o valva ce este deschisă, apoi închisă, apoi deschisă s.a.m.d.

• Figura 5.2. arată cum ieşirea unui switch de la o valvă este schimbată într-un bit. • Cuvântul bit vine de la binary digit. • Un registru de 1 bit, sau un circuit basculant bistabil, este prezentat în Figura 5.2 (a). • Ieşirea switch-ului ce arată starea valvei este legată la intrarea de validare a registrului, şi

semnalul de ieşire binară a registrului este ieşirea acestuia. • O serie continuă de pulsuri, denumită clock (tact), este legată la intrarea registrului. • Figura 5.2. (b) arată timing-ul logicii. • Puţin înainte de momentul = 1, valva se deschide, şi ieşirea switch-ului ce dă starea valvei comută

de la 0 volţi la 5 volţi. • La momentul = 1, impulsul clock-ului trece de la 0 volţi la 5 volţi, şi aceasta, combinat cu 5 volţi

la intrarea de validare a registrului, cauzează ca ieşirea registrului să treacă în „1”.• Valva stă deschisă pentru câteva perioade ale clock-ului (tactului) şi se inchide după momentul =

3. Când se întâmplă, semnalul de validare trece în 0 volţi, dar asta nu schimbă ieşirea registrului. • Când impulsul tactului trece în „1” la momentul =4, iesirea registrului se schimbă în „0”. • Figura 5.3. prezintă cum este utilizat un semnal analogic pentru a reprezenta poziţia valvei. • Când valva trece către poziţia complet deschisă, ieşirea va fi 5 volţi. • Când valva este complet închisă, ieşirea va fi 0 volţi. • Aşa cum se arată în Figura 5.3., ieşirea este la o valoare între 0 şi 5 volţi. Să presupunem că

aceasta este de 3 volţi. • În loc de a merge direct către registru, semnalul analogic de 3 volţi este trimis la un convertor

analog-digital, ca în Figura 5.4., care îl va schimba într-o serie de biţi şi memora aceşti biţi într-un registru.

• Uzual, sunt de la 8 la 16 biţi în acest tip de registru, dar pentru simplitate doar 4 biţi vor fi utilizaţi în acest exemplu.

• Cel mai important bit este denumit cel mai semnificativ bit MSB, iar cel mai puţin important este denumit cel mai puţin semnificativ bit LSB.

• MSB-ul este jumătate din valoarea întregii scale. Fiecare din biţii succesivi este jumătate din valoarea bitului precedent.

• Semnalul de 3 volţi este conectat la prima treaptă a convertorului. • Convertorul încearcă să scadă 2,5 volţi din acesta. Se poate (deoarece 3 este mai mare decât 2,5),

aşa că scoate un semnal de 5 volţi către intrarea de validare a bitului de 2,5 volţi (MSB) a registrului.

15

• Următorul impuls de tact va forţa MSB-ul registrului către “1”. Restul (3 – 2,5 = 0,5 volţi) se conectează la a doua treaptă a convertorului.

• Convertorul încearcă să scadă 1,25 volţi din el. Nu se poate (deoarece 0,5 este mai mică decât 1,25), aşa că scoate o ieşire de 0 volţi către intrarea de validare a bitului de 1,25 volţi a registrului.

• Următorul tact va forţa bitul registrului către “0”. • Restul (încă 0,5 volţi) alimentează a treia treaptă. • Convertorul încearcă să scadă 0,625 volţi din el. Nu se poate (deoarece 0,5 este mai mic decât

0,625) aşa că scoate un semnal de 0 volţi către ieşirea de validare a bitului de 0,625 volţi a registrului.

• Următorul tact va forţa bitul registrului către “0”. • Restul (încă 0,5 volţi) se conectează la a patra treaptă. • Convertorul încearcă să scadă 0,3125 volţi din el. Se poate, aşa că scoate către ieşire un semnal de

5 volţi la intrarea de validare a LSB-ului registrului.• Următorul tact va forţa bitul registrului la “1”. • Rezultatul final este un cuvânt binar pe 4 biţi care descrie cei 3 volţi astfel:

• MSB 1 x 2,5 volţi = 2,5 volţi• 0 x 1,25 volţi = 0 volţi• 0 x 0,625 volţi = 0 volţi• LSB 1 x 0,3125 volţi = 0,3125 volţi• 2,8125 volţi

• Deoarece un registru pe 4 biţi furnizează o precizie de 1 din 24, sau 1 din 16, din valoarea întregii scale, aceasta ne arată cât de aproape putem să ne apropiem de 3 volţi.

• Pentru unele aplicaţii, semnalul va varia de la valori pozitive la negative, utilizând un bit adiţional. Biţii adiţionali vor furniza precizie în plus.

• Acurateţea este uneori definită ca fiind plus sau minus jumătate din cel mai puţin semnificativ bit (LSB).

. Comunicaţia pe distanţe lungi este serială• Toate datele transmise între MTU şi unităţile RTU sunt transmise serial. • Asta înseamnă că un singur şir de caractere binare este transmis unul după altul. • Alternativa la serial este transmisia paralelă. • Magistralele paralele sunt utilizate în calculatoare şi de la calculatoare la imprimante, dar costul

mediului de comunicaţie (ce presupune fire în plus) devine prohibitiv pentru linii de comunicaţie la distanţe mari.

• Pentru a comunica un cuvânt digital de la un CAN în format serial, trebuie definite câteva convenţii pentru a transmite întâi MSB, apoi următorul bit, până ce sunt transmişi toţi biţii.

• Sau trebuie definită o convenţie să se transmită întâi LSB, apoi următorul bit s.a.m.d. • Această convenţie trebuie să fie parte a protocolului de comunicaţie.

. Componentele unui sistem de comunicaţie• În Figura 5.5 este prezentat un sistem SCADA foarte simplu format dintr-o unitate MTU şi una

RTU. • MTU şi RTU trebuie echipate astfel încât să poată comunica între ele. • În termeni specific telecomunicaţiilor, MTU şi RTU sunt fiecare denumite echipamente terminale

de date (data terminal equipments, DTE).

16

• Fiecare din ele trebuie să aibă capacitatea să formeze un semnal ce conţine informaţia ce trebuie transmisă.

• De asemenea amândouă trebuie să aibă capacitatea să descifreze semnalul primit extrăgând informaţia transmisă.

• Ce le lipseşte este capacitatea de a se interfaţa cu mediul de comunicaţie.

• Figura 5.6. interpune echipamentul care are capacitatea de interfaţare cu mediul de transmisie. • Modem-urile, ce pot fi denumite echipamentele de comunicaţie a datelor (data communication

equipment, DCE), sunt capabile să primească informaţia de la DTE, să facă schimbările necesare formei informaţiei, şi să o transmită de-a lungul mediului de transmisie către alt DCE, care o va primi şi o va transforma înainte de a o pasa către DTE.

• Organizaţia Internaţională de Standardizare (International Organization for Standardization, ISO) a dezvoltat modelul OSI (Open Szstems Interconnection), prezentat în Figura 5.7.

• El este constituit din 7 straturi. • Modelul OSI defineşte funcţia fiecărui strat, iar intenţia a fost ca atunci când este furnizat un

număr corespunzător de straturi pentru oricare 2 maşini (calculatoare), să fie posibilă comunicaţia dintre ele.

• Stratul superior şi cele două straturi de jos, adică straturile şapte, doi şi unu, sunt suficiente pentru cele mai multe sisteme de comunicaţie SCADA.

• Este important de remarcat că nu este în mod necesar o corespondenţă directă între un strat OSI, care defineşte o funcţie, şi o piesă electronică a hardware-ului.

• Cea mai mare funcţionalitate a stratului unu şi ceva din funcţionalitatea stratului doi pot fi gândite ca fiind implementate în modem.

• Ceva din funcţionalitatea stratului doi poate fi gândită ca fiind implementată în MTU sau în RTU. . Protocolul de cumunicaţie

• Protocolul de comunicaţie reprezintă o mulţime de reguli care definesc înţelesul unei forme/succesiuni de cuvinte binare.

• S-a stabilit că mesajul de transmis de la MTU la RTU are o serie de biţi. Dar care va fi primul? Dar al doilea? Dar al 247-lea?

• Protocolul ne spune. El furnizează codul ce crează această serie lungă de unu şi zero. • Acelaşi cod permite staţiei receptoare sa-l decodifice. • Acelaşi cod utilizat de transmiţător trebuie utilizat şi de receptor. • Asta nu înseamnă că este disponibil un singur protocol. • Sunt zeci de protocoale de comunicaţie. • Producătorii de echipamente le-au dezvoltat înainte de apariţia oricăror standarde.

17

• Mulţi producători continuă să-şi utilizeze protocoalele proprietar chiar dacă organizaţia de standarde a dezvoltat standarde, şi unii şi-au dezvoltat noi standarde proprietar după ce au fost disponibile standardele.

• Unele sunt mai bune ca altele pentru anumite aplicaţii. Altele sunt mai proaste decât altele pentru toate aplicaţiile.

• Lucrul important de ştiut despre ele este că trebuie să avem acelaşi protocol şi la MTU şi la RTU. • Figura 5.8 prezintă forma sau organizarea unui mesaj trimis printr-un protocol particular bazat pe

IEEE C37.1. • Lungimea totală a mesajului include suma tuturor biţilor fixi plus numărul biţilor transmişi în

formatul „data”.• Scopul fiecărui bit sau cuvânt este următorul:

• octetul “synch” semnalizează tutoror potenţialilor receptori că urmează un mesaj şi furnizează o referinţă care poate fi utilizată de fiecare receptor pentru a sincroniza propriul ceas, tact, la ceasul transmiţătorului.

• octetul “remote address” defineşte staţia către care se transmite mesajul; un octet (8 biţi) permite identificare a 256 de staţii.

• octetul “function” stabileşte tipul de mesaj care va fi transmis din cele 256 posibile; de exemplu “comută off următoarele motoare”.

• octetul „internal address” stabileşte către care registre ale receptorului este direcţionat mesajul.• octetul “modifier” modifică adresa internă şi defineşte câte cuvinte de date sunt incluse în mesaj.• octetul “special orders” conţine mesaje scurte despre condiţiile MTU şi RTU; de exemplu poate fi

“resetează toate erorile de comunicaţie contorizate”.• „data” este câmpul de lungime variabilă, de la 0 la 192 biţi. • “CRC (cyclic redundancy code)” este un cod de 16 biţi de redundanţă ciclică bazat pe formula lui

Bose Chaudhuri Hocquenguem (BCH) pentru detectarea erorilor de transmisie. • CRC este un cod ce se calculează cu o formulă. • Precum sunt mai multe protocoale sunt şi mai multe formule de calcul a CRC. • Este vital să avem acelaşi CRC atât la transmisie cât şi la recepţie. • CRC-ul utilizat în protocolul exemplu este denumit “(255,239) BCH”. 255 este numărul de biţi în

cuvântul de lungime maximă pe care îl însoţeşte codul CRC. 239 este numărul de biţi de informaţie (neincluzând CRC-ul). BCH sunt iniţialele dezvoltatorilor codului Bose Chaudhuri Hocquenguem.

• Alte coduri ce sunt utilizate în comunicaţiile industriale sunt CRC-16 şi CRC-CCITT. Polinomul utilizat pentru (255,239) BCH este:

• X16 + X14 + X13 + X11 + X10 + X9 + X8 + X6 + X5 + X1 + 1 Modemuri

• Modemul se regăseşte la cele mai de jos două nivele în modelul ISO/OSI pe 7 straturi. • Este echipamentul care verifică dacă mediul de comunicaţie este utilizat şi comută on transmisia

radio. Când totul este gata, schimbă semnalele binare de putere joasă aşa cum le primeşte de la MTU sau RTU într-o formă ce va călători de la un capăt la celălalt al mediului de transmisie şi va fi recepţionat de celălalt modem.

• Modem este un acronim de la “modulare şi demodulare”. • Dar ce înseamnă modularea? În general înseamnă modificarea unei unde purtătoare (carrier wave)

în funcţie de forma altui semnal (util, de transmis).

18

• Încercările timpurii de a transmite un semnal discret pe o distanţă mare de-a lungul unei linii de fire a demonstrat, nu foarte surprinzător, că rezistenţa reduce semnalul.

• Încercările de a transmite şi mai multe impulsuri pe secundă pe linia de comunicaţie au demonstrat că efectele inductive şi capacitive afectează semnalele.

• Limitele ratei de transfer a datelor şi distanţei au fost atinse curând deoarece a fost afectată forma impulsurilor.

• Figura 5.10. arată că forma unei unde poate fi separată matematic într-o serie de unde sinusoidale. • Matematicianul francez Fourier a descris metoda de analiză a acestui fenomen. • S-a dovedit că un semnal dreptunghiular (cu muchii ascuţite) conţine mai multe componente de

frecvenţă înaltă decât un semnal cu margini rotunjite. • Reactanţa inductivă a unei perechi lungi de fire va atenua selectiv componentele de frecevanţă

înaltă, rotunjind efectiv semnalul, ca în Figura 5.11. • În plus la această “distorsiune de amplitudine”, timpul de întârziere impus componentelor de o

anumită frecvenţă variază. • Unor componente de o anumită frecvenţă le ia mai mult timp să ajungă la capătul liniei decât

altora. Acesta dă ca rezultat “distoriunea de fază”. • O undă sinusoidală este imună la aceste forme de distorsiuni. • Rezitenţa scade amplitudinea sa, dar descreşterea este uniformă de-a lungul întregii unde. • Deoarece este doar o frecvenţă, distorsiunile de amplitudine şi fază nu există. • Din acest motiv, o undă sinusoidală este utilizată uzual ca undă purtătoare. • Modulatorul schimbă una din cele 3 caracterisitici ale purtătoarei. • Poate schimba amplitudinea, frecvenţa sau faza. • “Modulaţia în amplitudine” (AM) schimbă amplitudinea purtătoarei de frecenţă relativ înaltă prin

multiplicarea ei cu amplitudinea datei (semnalului util). • Rezultatul este o serie de unde sinusoidale de frecvenţa purtătoarei dar care variază în

amplitudine în funcţie de data transmisă. • “Modulaţia în frecvenţă” (FM) schimbă frecevenţa purtătoarei în raport cu amplitudinea datei. • Amplitudinea rămâne constantă. • Deoarece cele mai multe zgomote atmosferice sunt legate de amplitudine şi FM nu primeşte nici

o informaţie din amplitudinea semnalului, semnalele FM nu sunt afectate de către zgomotul atmosferic aşa de mult cât sunt semnalele AM.

• „Modulaţia în fază” (PM) de asemenea denumită “phase-shift keying” (PSK), implică schimbarea fazei undei purtătoare ca răspuns la o schimbare a amplitudinii datei (semnalului util).

• Deoarece rata datei se apropie de rata purtătoarei, PM arată mai mult ca FM. • Modulaţia cvadru-fazată şi celelalte moduri de modulaţie de fază mai mari permit ca rata datei să

depăşescă rata purtătoarei, creând o situaţie interesantă în care un modem de 2400 bps operează pe o linie de 1200 baud.

• Demodulatoarele sunt dispozitive care preiau un semnal modulat, extrag purtătoarea şi lasă semnalul data (util, transmis).

Ele trec apoi acest semnal către driverul de protocol pentru a distribui mesajul către registrele corespunzătoare ale staţiei receptoare.Sincron sau asincron?

• Sincron sau asincron se referă la nevoia ca un semnal de sincronism să fie transmis cu semnalul util (mesajul).

19

• Modemurile sincrone trebuie să transmită un semnal de tact care este utilizat pentru a asigura ca receptorul să lucreze la aceeaşi viteză de tact ca transmiţătorul.

• Uzual, tactul transmis este utilizat pentru a sincroniza un generator de tact la receptor. • În alte cazuri, tactul transmis este refăcut şi devine semnalul de tact la receptor. • Ambele metode determină ca semnalele de tact la transmiţător şi receptor să aibă aceeaşi frecenţă

şi fază. • Modemurile asincrone nu cer ca receptorul să fie sincronizat cu transmiţătorul. • Sunt necesare semnalele “Start mesaj” şi “Sfârşit mesaj” pentru ca receptorul asincron să

cunoască starea mesajului. Cablu telefonic sau radio

• În trecut, alegerea mediului de comunicaţie a fost determinată de două lucruri: – rata de transfer a datelor şi – cost.

• Mai mult şi mai mult acum, se ia în considerare un al treilea lucru: – securitatea datelor.

• Într-un capitol anterior s-a calculat perioada de scanare/baleiere. • Metoda se baza pe câteva lucruri, incluzând rata de transfer a datelor, şi negocierea ar trebui

făcută între rata de transfer şi intervalul de scanare. • Pentru unele aplicaţii SCADA, nu este fezabil să obţinem un interval de scanare destul de scurt

dacă rata de transfer nu este foarte mare, adică, peste 500 bps. • Când există această situaţie, se cere un mediu de transmisie cu o bandă de transfer mai mare decât

o linie telefonică, precum cablul de fibră optică, microunde radio, sau unul din cele mai sofisticate sisteme UHF.

• Liniile închiriate de la o companie telefonică sunt una din posibilităţile pentru acest mediu de comunicaţie.

• Costul este destul de mare, dar pentru acele industrii care cer volum mare de date, date la viteze ridicate, aceste alegeri există.

• Când un interval de scanare acceptabil poate fi atins cu ratele de transfer a datelor în domeniul 300 la 4800 bps, alegerea devine mult mai largă.

• Toate soluţiile precedente vor îndeplini cerinţele tehnice. • În plus, alt mediu care poate fi utilizat este o linie telefonică, care este destinată să opereze de la

300 la 3400 Hz, sau ieftinul UFH radio proiectat pentru aplicaţii industriale simple sau comerciale.

• O alegere adiţională de mediu de comunicaţie poate exista. • Aproape toate procesele care beneficiază de SCADA sunt deservite de o sursă de electricitate. • Unele companii energetice au scos pe piaţă o opţiune de comunicaţie care va permite ca date la

frecvenţe înalte să fie suprapuse pe un semnal de 60/50 Hz. • Se cere realizarea unor inginerii pentru ca această co-abitare să fie realizată deoarece semnalele

utile trebuie înlăturate şi apoi semnalul de putere să meargă către un transformator. • Securitatea datelor unui astfel de sistem poate fi mai bună decât a unuia radio. • Costurile vor fi mai bune decât un cablu dedicat şi pot fi mai bune decât cele radio pentru unele

instalaţii. • Cablurile telefonice au fost la un moment dat mediul de comunicaţie preferat.

20

• Costul scăzut de achiziţie şi instalare le-au făcut accesibile ca utilizare, dar trebuie rezolvate mai întâi unele probleme.

• Problemele cauzate de rozătoare au fost eliminate prin punerea unei armături în jurul cablului. • Figura 5.14. prezintă secţiunea printr-un cablu îngropat. • Diferite materiale au fost utilizate cu succes pentru a nu permite intrarea apei în cablu, dar

eforturile de săpare a şanţurilor pot fi mari. • Semnalele din cabluri pot fi afectate de curenţi mari din linii de putere aflate în acelaşi canal şi de

efectele magnetice ale activităţii solare. • Pentru arii aflate departe, unde companiile telefonice nu au intenţia de a-şi instala propriile linii,

poate fi necesar ca utilizatorul să plătească costuri mari pentru ca firma de telecomunicaţii să instaleze o linie care poate fi închiriată.

• În alte arii, utilizatorul trebuie să-şi achiziţioneze şi să-şi instaleze cablul. • Cablul cu fibră optică a devenit competitiv ca preţ cu cel de cupru, chiar şi pentru legături mici,

cu rată de transfer a datelor mică. • Poate fi instalat în acelaşi şanţ cu noua conductă. • Securitatea datelor contra intercepţiei sau sabotajului este mult mai bună cu un cablu de fibră

optică îngropat decât este cu radio. • Orice cablu are dezavantajul inflexibilităţii. Teoretic e posibil ca după câţiva ani cineva să decidă

mutarea lui. Pentru multe aplicaţii, totuşi, această permanenţă nu e o problemă. • UHF radio a fost dezvoltat în special pentru SCADA. • Oferă flexibilitate, cost scăzut, şi fiabilitate ridicată. • Figura 5.15 prezintă o locaţie aflată la distanţă, cu comunicaţie radio, pentru a transmite date la

viteză scăzută către o unitate MTU aflată la aproximativ 15 km depărtare. • Comunicaţia este cheia unui sistem SCADA. • Comunicaţia este mult mai dependentă decât oricare element SCADA de condiţiile găsite în aria

în care este instalat SCADA. • Din aces motiv, comunicaţiile merită o mare atenţie de la începutul proiectării. • Comunicaţia este cheia unui sistem SCADA. • Comunicaţia este mult mai dependentă decât oricare element SCADA de condiţiile găsite în aria

în care este instalat SCADA. • Din aces motiv, comunicaţiile merită o mare atenţie de la începutul proiectării.

6. Comunicaţia radio• Tehnologia radio este cea mai complexă dintre cele două tipuri de comunicaţii utilizate în

sistemele SCADA. Simplex sau Duplex?

• Comunicaţia poate fi unidirecţională sau bidirecţională. • Pentru ambele tipuri de funcţii implementate de un sistem SCADA (de control supervizor sau de

achiziţii de date), transferul de informaţie într-un sistem SCADA cere o comunicaţie în ambele direcţii.

• Termenii ce descriu abilitatea unui sistem de comunicaţii de a transmite informaţii sunt: „simplex”, „half duplex”, „duplex” si „full duplex”.

• Sistemele simplex, prezentate în Figura 6.1, permit ca informaţia să fie transmisă într-o singură direcţie.

21

• Paul Revere a utilizat un sistem simplex când a aprins lampa pentru a indica „One if by land, two if by sea”. El a putut trimite informaţia dar nu a putut recepţiona înapoi nici o informaţie.

• Semnalele fumului amerindienilor (când era utilizat doar un foc) au fost de asemenea comunicaţii simplex. Ei trimiteau informaţii dar nu primeau nici o informaţie înapoi. De remarcat că adăugarea unui al doilea foc ar putea schimba starea sistemului de comunicaţie de la simplex la altceva.

• Cele mai recente exemple de comunicaţie simplex sunt diferitele semnale trimise prin telemetrie de la baloanele meteorologice, rachetele experimentale, şi transmisiile TV şi radio comerciale.

• Deoarece SCADA cere transferul bidirecţional al informaţiei, nu utilizează comunicaţia simplex. • Pentru celălalt mod de comunicaţie spectrul util este duplex (uneori numit “full duplex” pentru

motive ce vor deveni evidente curând). • Comunicaţia duplex permite ca informaţia să fie trimisă şi primită în acelaşi timp. • Duplex-ul este ca şi când am avea două sisteme simplex ce lucrează în paralel dar în direcţii

opuse (Figura 6.2).

• Particula „du” a cuvântului duplex rezultă din faptul că sistemele duplex permit o comunicaţie bidirecţională (dublă).

• Un exemplu timpuriu este semaforul feroviar, care utilizează un transmiţător şi un receptor la capătul liniei de comunicaţie. Fiecare din staţii pot aşadar “vorbi” şi “asculta” în acelaşi timp.

• Cele mai recente exemple tehnologice ale duplexului include telefonul. • În timp ce „full duplex” oferă avantaj din punct de vedere al utilităţii, din punct de vedere al

costului este mai scump deoarece cere mai multe fire sau alt echipament decât „simplex”. • Interesant, dar este disponibil un compromis. • Dacă este necesar a transfera informaţii în ambele direcţii dar nu concomitent, este posibil a

utiliza o pereche de fire sau o frecvenţă radio pe care datele merg la un moment dat într-o direcţie, iar la alt moment de timp în cealaltă direcţie.

• Acesta este denumit “half duplex”. • Precum se arată în Figura 6.3, este necesar un sistem adiţional de comutare. • El poate face, de exemplu, ca ieşirea transmiţătorului să fie conectată la intrarea receptorului. • Sistemele SCADA sunt capabile să utilizeze fie „full duplex” fie „half duplex”. • Criteriile de selecţie nu sunt exclusiv costul unei perechi adiţionale de fire în cablul liniei terestre

sau cristalul de cuarţ adiţional pentru transmisia radio. • Ele pot include timpul luat pentru un transmiţător radio să comute „on” şi să se stabilizeze sau

disponibilitatea unei frecvenţe radio adiţionale într-un spectru limitat care are o mare cerere. Timpul de comutare ” on”

• Figura 6.4. ilustrează un sistem radio SCADA clasic care este constituit dintr-o unitate MTU şi cinci RTU. Ar putea fi posibil pentru MTU să:

– trimită un mesaj la sistemul său radio să înceapă transmisia– aştepte până ce transmiţătorul radio se stabilizează

22

– moduleze (transmiţătorul) purtătoarea cu mesajul ce se doreşte a se trimite unităţii RTU nr. 1, incluzând identificarea unităţii RTU 1

– comute „off” transmiţătorul radio – comute „on“ receptorul şi să aştepte ca RTU 1 să raspundă

• Toate unităţile RTU normal ar aştepta cu receptoarele lor ”on”. • Când este primit un mesaj, mesajul este verificat pentru a se vedea dacă mesajul este pentru RTU

1 sau pentru celelalte RTU. • Dacă nu este pentru RTU 1, RTU 1 îl va ignora. • Dacă este pentru RTU 1, RTU 1 îl va asculta (va proceda în conformitate). • Apoi RTU trimite înapoi un mesaj către MTU prin comutarea off a receptorului, comutând on

transmiţătorul, aşteptând până ce transmiţătorul se stabilizează, modulând purtătoarea radio cu mesajul (ce include identificarea sa), comutând off transmiţătorul, şi comutând on receptorul.

• La o primă privire, pasul în care transmiţătorul comută ”on” nu pare foarte semnificativ. • Când se desenează o diagramă temporală, aşa cum se arată în Figura 6.5, este evident că timpul

de comutare ”on” a transmiţătorului poate fi semnificativ. • Mai mult de jumătate din timpul total poate fi utilizat pentru transmisia mesajelor, dar acesta va

varia în funcţie de lungimea mesajului şi de ratele de transfer a datelor. • Acesta este unul din factorii care se utilizează pentru calcularea eficienţei comunicaţiei. • Durata aşteptării pentru ca transmiţătoarele radio să comute ”on” şi să se stabilizeze este o funcţie

a transmisiei radio şi este în general independentă de rata de transfer a datelor. • Din cauza asta, încercările de reducere a intervalului/duratei de scanare/baleiere ar trebui

concentrată nu exclusiv pe rata de transfer a datelor dar de asemenea pe echipamentul de comunicaţie.

• O cale de îmbunătăţire a echipamentului de comunicaţie este de a-i lua avantajul full duplex-ului. • Dacă este disponibilă o frecvenţă secundară, MTU poate transmite pe una, şi toate RTU pot

transmite pe cealaltă (Figura 6.6). • Implicaţia este că sistemul radio al MTU poate transmite 100% din timp; prin urmare, nu este

necesar să aştepte să se stabilizeze de fiecare dată când este trimis un mesaj de către MTU. • Această tehnică este adesori utilizată şi are ca rezultat scurtarea timpului de scanare pentru o mică

creştere a costurilor. • Deoarece toate RTU utilizează aceeaşi frecvenţă pentru transmisie, doar una poate transmite la un

moment dat. • Pentru comunicaţia radio, este rareori justificat ca fiecare RTU să transmită pe o frecvenţă

separată. Frecvenţele: sunt ele disponibile?

• Am arătat că prin adăugarea unei frecvenţe putem realiza o îmbunătăţire a răspunsului unui sistem SCADA.

• Dar această îmbunătăţire este de asemenea acompaniată de problema disponibilităţii unei frecvenţe secundare.

• Ca multe alte lucruri în lume, frecvenţele radio sunt lucruri utile care sunt cerute pentru a fi utilizate.

• Lumea crede că numărul de frecvenţe este fără de limite, dar acesta este de asemenea modul în care lumea obişnuia să gândească despre porumbeii călători.

23

• Când se alege comunicaţia radio ca fiind mediul de comunicaţie SCADA, există în mod automat câteva limitări.

Una dintre acestea este că simplex nu are nevoie doar de o frecvenţă; se cere de asemenea o bandă de frecvenţe centrate în jurul frecvenţei purtătoare.

• Lăţimea acestei bande, este legată de rata modulaţiei (măsurată în baud) pe care noi dorim s-o utilizăm.

• Depinzând de tipul modulaţiei, lăţimea de bandă în Hz este aproape egală cu numărul de biţi pe secundă pentru modulaţia FSK (frequency-shift keying) şi de trei ori numărul de biţi pe secundă pentru modulaţia în frecvenţă. Modulaţia în fază poate transfera datele la o rată mai înaltă decât rata de transfer în baud, dar chiar şi aşa se cere o lăţime de bandă semnificativă.

• În plus la această lăţime de bandă, o bandă de gardă de câteva sute de Hz este adăugată deasupra şi sub banda ce se utilizează.

• Această bandă de gardă previne suprapunerea frecvenţelor şi interferenţele rezultate când transmiţătorul radio deplasează frecvenţa ce este calibrată pentru utilizare.

• Prin urmare, comunicaţia la 1200 bps, cere o bandă de frecvenţe de aproape 3000 Hz lăţime. • Destul de interesant, aceasta este aproape aceeaşi lăţime de bandă necesară pentru a transmite

date vocale analogice cu o calitate acceptabilă. • Celălalt factor care limitează cât de multe frecvenţe (sau banda de frecvenţă) sunt disponibile

pentru utilizare este rânduirea lor. • Unii oameni îşi pot aminti cum ascultau la un post de radio comercial şi erau plictisiţi de posturi

nefamiliare ce apăreau şi dispăreau. • Uneori această interferenţă a fost aşa de puternică că făceau de neînţeles informaţiile ce erau

ascultate. • Acest fenomen poate fi descris prin menţionarea că raportul semnal-zgomot (SNR – signal-to-

noise ratio) a coborât sub 1. • Când asculţi la radio de plăcere acest lucru e neplăcut. • Când o unitate RTU SCADA “ascultă” la radio pentru a primi o comandă de blocare a conductei

de petrol ce are scurgeri şi raportul semnal-zgomot scade sub 1, este mult mai mult decât ceva neplăcut.

• Undele radio se refractă sau reflectă din multe motive, dar, în general, frecvenţele mai înalte se refractă mai puţin decât frecvenţele joase.

• Există un grup de frecvenţe între 300 MHz şi 3000 MHz denumite UHF (ultrahigh frequency), frecvenţe ultraînalte.

• Acesta are beneficiul de a fi limitat de vizibilitate şi încă este tehnic destul de simplu de întreţinut în câmp.

• Cele mai multe sisteme SCADA radio operează în domeniul UHF. • “International Telecommunications Union (ITU)”, o agenţie a Naţiunilor Unite, organizează o

conferinţă “World Administrative Radio Conference” pentru a aloca benzi de frecvenţe pe temeiuri mondiale.

• Deciziile acestor conferinţe sunt respectate de ţările membre şi sunt utilizate pentru a stabili reglementările naţionale.

• Agenţiile de reglementare guvernamentale evaluează cu atenţie aplicaţiile (cererile) de utilizare a frecvenţelor şi alocă acele frecvenţe dacă sunt disponibile şi dacă agenţia este convinsă că aplicantul (solicitantul) are într-adevăr nevoie de ele.

24

• Nu este neapărat ca o licenţă să fie acordată deoarece o aplicaţie (cerere) a fost făcută. Studiu de cale şi variaţiile sezoniere

• Cu cât frecvenţa e mai înaltă, undele radio se manifestă şi mai mult ca lumina. • Pentru banda UHF, şi chiar mai mult pentru micro-unda radio (care este uneori utilizată pentru

sisteme SCADA cu rată înaltă de transfer a datelor), calea radio este în esenţădeterminată de vizibilitate.

• Una din implicaţiile acesteia este că proiectarea sistemului trebuie să includă un studiu de cale. • Pentru fiecare legătură dintre transmiţător şi receptor, trebuie făcută o evaluare referitor la puterea

de transmisie, câştigul antenei, pierderile funcţie de distanţă, şi, foarte important, dacă există dealuri între transmiţător şi receptor.

Studiul de cale utilizează hărţi topografice, care pot sugera schimbări ale locaţiei care va păstra înălţimea turnului antenei la un minimum sau va indica nevoia de staţii radio repetoare.

• Uneori marginile de siguranţă pentru studiile de cale sunt uşor modificate pentru a păstra costurile turnurilor antenelor sau staţiilor repetoare scăzute.

• Au fost cazuri în care un sistem funcţionând bine în timpul lunilor de iarnă, dar când primăvara a adus frunze copacilor pe un deal dintre transmiţător şi receptor nivelul semnalului a scăzut sub zgomot.

• Unii arbori coniferi au ace care acţionează ca antene absorbind multă din puterea undei radio incidente.

Variaţiile solare• Semnalele radio se propoagă prin spaţiu ca undele electromagnetice şi nu se pot distinge de

celelalte unde electromagnetice de aceeaşi frecvenţă. • Unul din motivele de ce ia aşa mult timp de a obţine o licenţă radio este că agenţia responsabilă

de acordarea ei trebuie să verifice dacă aplicantul (solicitantul) va interfera cu un alt receptor pe acea frecvenţă şi trebuie să se asigure că nici un alt transmiţător pe acea frecvenţă nu va interfera cu solicitantul.

• Dar aceasta nu poate preveni ca cel mai puternic corp radiant din vecinătate (soarele) să nu perturbe periodic transmisia radio.

• La fiecare 11 ani, pe soare au loc o serie de furtuni majore care sunt acompaniate de explozii solare.

• Efectul asupra traficului radio este foarte mare. • UHF şi micro-undele sunt mai puţin afectate de variaţiile solare decât celalalte benzi de frecvenţă,

dar chiar şi ele se pot vedea perturbate cu o anumită cantitate de zgomot. • Cele mai bune căi de minimizare a efectului activităţii radio solare sunt a se proiecta iniţial pentru

o rată semnal-zgomot mare şi a menţine echipamentul calibrat şi în parametri (verificat). Fiabilitatea şi mentenanţa

• Electronica a făcut îmbunătăţiri în tehnologia radio cum nu se puteau imagina acum 30-40 de ani. • Desigur, primul lucru pe care îl gândesc cei mai mulţi oameni când este făcută o astfel de

afirmaţie este că echipamentul este acum mai mic şi utilizează mai puţină energie. • Acest lucru, în fapt, este adevărat. Dar ce este probabil mult mai important este că fiabilitatea şi

mentenanţa au fost îmbunătăţite. • Compensarea temperaturii este acum înglobată. • Imunitatea la vibraţii şi la comutările sursei de energie este mult mai bună.

25

• Dar încă sunt necesare unele activităţi de mentenanţă a echipamentului radio. Antenele slăbite de vânt şi deplasate 90 de grade de la ţinta lor trebuie realiniate.

• Celulele electrice ale surselor intreruptibile (UPS), care asigură ca unităţile radio să primească în continuu energie electrică, trebuie curăţate şi înlocuite din timp în timp.

• Chiar unităţile radio însăşi pot fi avariate, stricate de diverse cauze şi aşadar trebuie verificate şi reparate.

• Dar ele sunt mult mai bune acum decât au fost ele în trecut. Comunicaţiile prin satelit

• Sateliţii geostaţionari de comunicaţii sunt acum la marginea de disponibilitate pentru comunicaţiile SCADA.

• Pentru cele mai multe aplicaţii, există căi mai puţin scumpe de a trimite mesaje între MTU şi unităţile RTU.

• Dar pentru sistemele foarte mari precum sistemele de transport prin conducte şi liniile electrice, în special în ariile îndepărtate şi slab dezvoltate, sateliţii pot fi o metodă de comunicaţie cu costurile cele mai rezonabile, bune.

• Principiu este simplu. Unitatea MTU şi fiecare din unităţile RTU au acces la o antenă care se află pe un satelit care stă deasupra aceleiaşi locaţii terestre (geostaţionar).

• Satelitul acţionează ca un repetor radio, primind date de la o staţie şi trimiţându-le către celelalte. • În mod uzual, un cost esenţial trebuie plătit pentru antene şi echipamantul radio special. • De asemenea există o taxă lunară pentru acest serviciu (utilizarea satelitului). Aceasta este ca un

tarif plătit pentru orice echipament de comunicaţie utilizat. • Costurile devin mult mai rezonabile cu câţi mai mulţi utilizatori utilizează în comun sistemele,

care, desigur, au costuri de început (realizare, instalare, punere în funcţiune) foarte mari. • Deşi sistemele radio par a avea multe dezavantaje, ele oferă suficiente avantaje faţă de liniile

terestre pentru a le alege ca sisteme de comunicaţie. . Telefoanele celulare

• Telefoanele celulare sunt de fapt transmiţătoare şi receptoare radio miniaturizate. • Domeniul lor este în mod intenţionat foarte limitat deoarece proiectarea sistemului include staţii

care sunt apropiate între ele. • Această combinaţie permite mai multor telefoane celulare să utilizeze lăţimea de bandă

disponibilă. • Trecerea de la prima generaţie de telefoane celulare la a doua şi a treia generaţie simplifică

utilizarea lor ca sisteme de comunicaţie dintre unităţile RTU şi MTU. • Extinderea telefoanelor celulare în afara ariilor urbane majore a crescut probabilitatea ca ele să

devină utile lângă un proces ce are nevoie de comunicaţie SCADA. • Multe companii de telefoane celulare au luat în considerare avantajul faptului că vorbirea umană

este interpusă cu intervale în care nimeni nu vorbeşte. • Deoarece transferul datele pentru SCADA poate să nu fie foarte critică din punct de vedere al

timpului, este posibil a introduce mici pachete de date între propoziţii fără costuri semnificative pentru purtătoare.

• Aceasta nu spune că utilizatorul SCADA va obţine o transmisie gratuită, dar costurile serviciului pot fi destul de mici, telefoanele celulare pot fi metoda de comunicaţie cu cele mai bune costuri.

• Dacă acoperirea celulară este aproape, dar nu pe deplin, destul de bună pentru nevoile sale, se discută plata serviciului de comunicaţie pentru a extinde sistemul la nevoile sale.

26

• Tarifele pentru serviciul celular al transferului de date pot fi rezonabile, şi se bazează deseori pe numărul de biţi ce se transferă.

• Această metodă de taxare poate fi luată în considerare când planificăm ca sistemul SCADA să utilizeze telefonia celulară.

• De exemplu, mai degrabă decât un sistem ce cere ca fiecare unitate RTU să răspundă la un mesaj de la unitatea MTU la un interval regulat de timp, un caz de excepţie de sistem cere ca unitatea RTU să transmită doar când are ceva semnificativ de transmis, lucru ce ar rezulta într-o proiectare mai eficientă din punct de vedere al costului.

Cap. 7. Unităţile RTU (Remote Terminal Unit)

• Pe lângă echipamentele de comunicaţii, un sistem SCADA este caracterizat prin alte 2 elemente, unităţile RTU şi unităţile master MTU (Master Terminal Unit).

• Într-un capitol anterior a fost prezentată funcţionalitatea unei unităţi RTU în termenii unei „cutii negre”, care realizează câteva funcţii ce au fost definite sumar.

Figura 7.1 prezintă o schemă-bloc cu semnale ce intră într-o unitate RTU, iar figura 7.2 cu semnalele ce părăsesc o unitate RTU.

• Pe scurt, o unitate RTU strânge informaţii de la procesul/instalaţia din câmp, referitoare la valori analogice, alarme, starea unor mărimi, sau valori măsurate.

• Unitatea RTU păstrează aceste informaţii în memorie până ce le cere unitatea master MTU. • La cerere le codifică şi le transmite unităţii MTU. • În plus, când unitatea master MTU cere, unitatea RTU deschide sau închide valve, comută on sau

off comutatoare, transmite semnale analogice ce pot reprezenta valori de referinţă, sau transmite trenuri de impulsuri pentru comanda motoarelor pas cu pas.

• Acest lucru ar părea că reprezintă un repertoriu limitat de funcţii, dar el este suficient pentru a realiza toate funcţiile de control de la distanţă şi de monitorizare necesare a fi realizate.

• Unităţile RTU au acum abilitatea de a primi si a trimite mesaje la echipamentele de câmp în format serial, de obicei RS 232. În cele mai multe cazuri, această caracterisitică nu creşte funcţionalitatea SCADA. Totuşi, simplifică câteva din transferurile locale de date din câmp.

• În viitorul apropiat, ne putem aştepta la următorul lucru: comunicaţia serială (sub forma magistralei de câmp) să depăşească numeric semnalele analogice 4-20 mA utilizate acum.

• Avantajele, în particular pentru sistemele mici, sunt solide, astfel că e clar că va deveni un protocol ales pentru instalaţiile de câmp în sistemele SCADA.

Interfaţa de comunicaţie• Figura 7.3 extinde descrierea de tip cutie neagră a unei unităţi RTU. Unităţile moderne RTU sunt

în mod esenţial sisteme bazate pe unităţi centrale de procesare (de tip microprocesor) cu echipamente speciale ce sunt proiectate a se interfaţa cu legătura de comunicaţie, respectiv cu senzori, actuatori şi calculatoare din proces.

• În timp ce unitatea RTU este în modul recepţie, o parte a echipamentului de interfaţare cu comunicaţia (modem-ul) primeşte un semnal serial de la mediul de comunicaţie. Acest semnal este un şir de biţi fie 0 fie 1.

• La acest stadiu, semnalul nu este analogic, deşi unele semnale analogice ar putea fi codificate binar pentru transmisia la RTU.

• Utilizând regulile stabilite prin protocolul de comunicaţie, o altă parte a interfeţei de comunicaţie interpretează şirul de 0 şi 1 şi transferă informaţia la restul unităţii RTU.

27

Detalierea protocolului• Protocolul de comunicaţie a fost prezentat în capitolul 5, dar este util a se exemplifica cum este

primit şi decodat un mesaj simplu la unitatea RTU. • Informaţia este primită la nivelul modemului localizat la unitatea RTU, ca o serie de 0 şi 1

modulate pe o frecvenţă purtătoare. • Modemul decodifică purtătoarea şi realizează o serie de 0 şi 1 disponibile unităţii RTU. • Protocolul prezentat se bazează pe ANSI/IEEE C37.1-1979. Există totuşi multe alte protocoale,

iar această selecţie nu este importantă pentru această prezentare. • În figura 7.4 (ca de altfel şi în celelalte similare) bitul cel mai din stânga este primul primit. • Această figură prezintă cele 3 câmpuri de bază dintr-un mesaj binar. • Ele sunt: „stabilirea mesajului”, „informaţia” şi „sfârşitul mesajului”. • Pentru acest exemplu, „stabilirea mesajului” şi „sfârşitul mesajului” au lungimi fixate. Câmpul

„informaţie” poate avea lungimi diferite. • Câmpul „stabilirea mesajului” are 2 sub-câmpuri, precum este arătat în figura 7.5. • Primul este denumit “Sync” (sincronizare) şi este un octet sau are lungimea de 8 biţi (00010100).

El stabileşte că unitatea MTU trimite un mesaj la o unitate RTU. Acest sub-câmp este de asemenea utilizat pentru a sincroniza ceasul RTU cu cel al MTU.

• Cel de-al doilea sub-câmp, “Remote Address”, defineşte cărei unităţi RTU îi transmite unitatea MTU mesajul. Este de asemenea constituit din 8 biţi. În mod normal, 8 biţi permit adresarea a 256 unităţi RTU, dar doar 254 din aceste adrese sunt valide (0 şi 255 sunt rezervate).

• Adresa din figură, 00001011, specifică unitatea RTU numărul 11. • Până ce nu sunt recunoscute ambele sub-câmpuri, unitatea RTU ştie că mesajul nu-i este adresat,

ignoră restul mesajului, şi resetează registrele sale de mesaje în aşteptarea unui alt mesaj. Unitatea RTU căreia i se potriveşte adresa ascultă în continuare următorul câmp care este cel legat de „informaţie”.

• Câmpul „informaţie” prezentat în figura 7.6 este constituit din câteva sub-câmpuri de date pe care unitatea MTU doreşte să le transmită unităţii RTU.

• Primul sub-câmp, “Function”, defineşte tipul răspunsului pe care unitatea RTU trebuie să-l facă la acest mesaj sau tipul mesajului de control pe care unitatea MTU îl transmite acum.

• Sunt 8 biţi în acest sub-câmp, ceea ce înseamnă 256 răspunsuri potenţiale ce pot fi cerute şi/sau 256 de tipuri de mesaje de control ce pot fi trimise.

• Un exemplu de mesaj de control ar putea fi numărul 7 în binar, care ar putea însemna „Închiderea tuturor următoarelor valve”. Un exemplu de mesaj de răspuns cerut ar putea fi “Trimite valorile de debit totale de la debitmetre”.

• Sub-câmpul “Internal Address” identifică locaţia din RTU. • De exemplu, acest sub-câmp poate fi 24, înţelegând că registrul de memorie 24 este locaţia

primului debitmetru (valorii sale) a cărei valoare trebuie trimisă, sau ar putea însemna „Valva identificată în registrul de memorie 24 este prima din lista de valve ce trebuie închise”.

• Cel de-al treilea sub-câmp, „Modifier”, defineşte numărul de unităţi de date de transferat. • În acest exemplu, dacă valoarea sub-câmpului este 8, unitatea MTU putea cere ca valorile de la

debitmetrele 24 la 31 inclusiv, să fie trimise. Sau putea însemna “8 valve începând cu cea identificată în registrul de memorie 24 sunt cele ce trebuie închise”.

28

• Cel de-al patrulea sub-câmp, „Special Orders”, permite transmiterea comenzilor speciale către RTU, incluzând resetarea flag-urilor (variabilelor) de avertizare, a celor de erori de comunicaţie, şi „Aşteaptă un mesaj lung la următoarea comandă”.

• Un 1 în poziţia celui mai semnificativ bit înseamnă că MTU recunoaşte că RTU a executat un restart şi comandă unităţii RTU să reseteze acest flag.

• Un 1 în poziţia celui de-al doilea MSB însemnă că MTU recunoaşte că RTU a detectat o problemă de comunicaţie şi comandă unităţii RTU să reseteze acest flag.

• Cel de-al cincilea sub-câmp, “Data”, furnizează datele generale de transmis de către MTU către RTU.

• Pentru mesajul de tipul celui utilizat în exemplu, sub-câmpul Data ar putea avea lungimea zero. Pentru alte tipuri de mesaje ar putea avea lungimea de 24 de octeţi.

• După ce câmpul “informaţie” este complet, este inclus un câmp “sfârşit mesaj”, constituit dintr-un singur sub-câmp (Fig. 7.7).

• Este denumit “Security Code”, constituit din 16 biţi ce sunt calculaţi la MTU pe baza informaţiei trimise de la MTU.

• Acest număr pe 16 biţi este comparat cu un număr pe 16 biţi calculat la RTU pe baza datelor primite.

• Dacă cele două numere pe 16 biţi sunt identice, se presupune că mesajul a fost primit corect. • Algoritmul utilizat este un cod de redundanţă ciclică (CRC).

Controlul discret• Multe din mesajele de la MTU se referă la control. • Ele pot cere ca RTU să comande un element din câmp.

De exemplu, vom urmări activităţile ce se realizează dacă un mesaj primit de o unitate RTU cere a deschide o valvă cu două poziţii, când locaţia din memorie a primei valve este locaţia 32 de memorie şi numărul de valve este de două.

• Unitatea RTU va localiza registrele ce sunt alocate pentru controlul discret al valvelor. De observat că registrul este pe 1 octet sau 8 biţi şi fiecare bit este capabil să definească poziţia închis prin 0 şi deschis prin 1, fiecare registru putând controla 8 elemente discrete. RTU va localiza prima poziţie a registrului specificat (poziţia 32 în registrul 4) şi-l forţează la starea „1”. Apoi se va muta la poziţia a doua (33) şi-l va forţa la starea ”1”.

• Câteva secunde mai târziu acest registru este citit (Fig. 7.9). În acest moment, deoarece aceste 2 registre au un ”1” vor cauza ca poziţiile din registrele buffer de control să treacă în ”1”. Un ”1” pe aceste poziţii vor cauza ca două relee de pe modulul de ieşiri să treacă pe poziţia închise. Fiecare din aceste relee va comuta bobina unei valve ce se va deschide. Controlul analogic

• Presupunem că MTU comandă unei RTU să deschidă o valvă, nu complet ci doar 75% din deschiderea maximă. Acest lucru se poate face printr-un cotrol analogic (continuu).

• Pentru acest exemplu, arătat în fig. 7.10, mesajul MTU va cere pentru ieşirea analogică registrul numărul 22, şi-l setează la 75 procente.

• În acest caz, este necesar mai mult de 1 bit pentru a defini cerinţa. Registrul 22 are 8 biţi, ca şi registrul 4 din ultimul exemplu. Acum, totuşi, pentru definirea gradului de deschidere a valvei este nevoie de mai mulţi biţi.

• 8 biţi = 256256 ………100%

29

x ………….75%x = 75 x 256 / 100 = 192 = 128 + 64 = 27 + 26

• Pentru acest exemplu, cei 8 biţi ai registrului analogic 22 au fost setaţi la 1100 0000, care înseamnă 75% din 256.

• Acum, când impulsul de tact e activ şi aceste valori sunt mutate într-un registru buffer, se întâmplă ceva diferit.

• În modulul de ieşiri analogice (Fig. 7.11), aceşti biţi trebuie reconstituiţi într-un semnal analogic. • Pentru acest exemplu, presupunem că 10 volţi determină ca valva să se deschidă 100%, şi 0 volţi

ca valva să fie deschisă 0%. • Primul bit este cel mai semnificativ (MSB). Find 1, comută sursa de tensiune către o ieşire de 5

volţi. Al doilea bit 1, comută sursa de tensiune către o ieşire de 2,5 volţi. Al treilea bit 0 nu comută sursa de 1,25 volţi, s.a.m.d.

• Toate aceste tensiuni însumate dau ca rezultat o tensiune de 7,5 volţi ce alimentează un driver de putere.

• De aici el poate fi trecut în semnal 4-20 mA. Acest lucru determină ca un semnal de (0,75 x (20 – 4) + 4) = 16 mA să fie trimis valvei ca poziţia ei sa fie de 75% deschisă.

• De fapt, semnalul va acţiona mai mult ca o referinţă pentru un controler PID, şi ieşirea controlerului va controla valva, viteza unui motor, sau orice parametru ce poate fi descris printr-o valoare analogică între 0 şi 100 procente. Controlul în impulsuri

• Controlul prin/în impulsuri este o metodă de control utilizată uneori. De exemplu permite unui motor pas cu pas să fie comandat printr-un număr specificat de paşi. Monitorizarea semnalelor discrete

• Una din cele mai comune caracterisitici a achiziţiei de date pe care un sistem SCADA trebuie să o realizeze este monitorizarea stării unor alarme sau mărimi discrete.

• Acestea sunt denumite uneori puncte digitale. • În fig. 7.12, este reprezentată o alarmă discretă (un comutator de nivel înalt pe un rezervor

hidroelectric). Pe cursorul comutatorului LSH-101 se regăseşte o tensiune de 24 V de la RTU.• 1 în registrul 20, bitul 7 = nivelul apei ridicat• 0 în registrul 20, bitul 7 = nivelul apei nu este ridicat • Intrările discrete pot informa asupra stării unor parametri din multe domenii. • Nivelul, presiunea, temperatura, debitul, poziţia unei valve, starea unui motor, etc., pot fi

monitorizate utilizând simple switch-uri. • Prin utilizarea unei logici speciale cu ieşiri pe contacte de relee, este de asemenea posibil să

obţinem starea unor elemente de monotorizare a radiaţiei înalte, alarme de gaz combustibil, ieşirea din limite pentru analiza pH etc. Monitorizatea semnalelor analogice

• Este deseori important a monitoriza parametrii unui proces pentru a obţine mai mult decât o informaţie binară.

• De exemplu, se pot cere a fi monitorizate înălţimea unui lichid într-un rezervor, viteza unui motor, sau nivelul de radiaţie. În aceste situaţii se cere un senzor care să furnizeze informaţii despre schimbările parametrului de monitorizat printr-un parametru monitorizat mai uşor, de exemplu curentul.Monitorizarea semnalelor seriale

30

• Semnalul serial este un alt tip de semnal ce poate intra intr-o unitate RTU de la un dispozitiv din câmp.

• Un semnal serial este trimis la o unitate RTU de la un procesor electronic de un anume tip. Acesta va fi foarte des un dispozitiv complex precum un analizor de vibraţii pentru un motor etc.

• Uzual, semnalul sau semnalele pot fi prezentate în forma unor semnale analogice, dar deoarece semnalele există într-un procesor electronic ca şi semnale digitale este mai uşor a le muta/transmite ca semnale digitale seriale.

• Conexiunea fizică utilizată este desori o legătură RS 232, ca cea prezentată în fig. 7.15. • Acţionând ca un master, unitatea RTU semnalizează dispozitivului din câmp să răspundă;

dispozitivul se identifică şi trimite un mesaj serial cu un format fixat, transmiţându-i unităţii RTU tot ce i s-a cerut. Unitatea RTU stochează aceste date în registre. Când unitatea master MTU scanează unitatea RTU, RTU include această informaţie cu celelalte pe care le trimite. . Funcţii non-RTU

• Funcţiile RTU sunt acele funcţii pe care unitatea RTU le realizează ca o unitate RTU. • În plus, unele unităţi RTU ce au capabilităţi de calcul pot fi programate să realizeze şi alte funcţii. • Înainte de a decide programarea unor RTU să facă şi alte lucruri, trebuie avut grijă de a nu se

supraîncărca unitatea RTU. • Potenţialele griji includ supraîncărcarea unităţii CPU, expunerea echipamenteului la

tranziţii/comutări electrice, expunerea software-ului persoanelor ce dezvoltă noi programe, şi respectarea cerinţelor de reglementare ce implică stabilitatea datelor. Cap. 8. Unitatea master MTU (Master Terminal Unit)

• În centrul fiecărui sistem SCADA este un dispozitiv care emite toate comenzile, strânge (colectează) toate datele, memorează informaţiile, transmite informaţii către sistemele asociate, este interfaţa cu personalul ce operează asupra procesului. Acest dispozitiv este unitatea master (Master Terminal Unit), denumită şi “host computer”. Interfaţa de comunicaţii

• Unitatea master MTU trebuie să trimită informaţii către fiecare unitate RTU. • Este aproape întotdeauna utilizat acelaşi mediu de comunicaţie pe care unitatea RTU îl utilizează

pentru a-i transmite informaţii acesteia (MTU). • În aceste condiţii, unitatea master MTU are acelaşi echipament şi capabilităţi ale interfeţei de

comunicaţii ca şi cea discutată în capitolul 7 în legătura cu unitatea RTU. • Diferenţa majoră este că, ca “slave”, unitatea RTU nu poate iniţia o „conversaţie”; ca master,

unitatea master MTU poate iniţia „conversaţia”. • Comunicaţia unităţii MTU este iniţiată de către programe ale MTU ce pot fi activate (declanşate)

prin comenzi manuale ale operatorului (foarte puţin utilizate) sau de către alte programe ale MTU (metoda normală, utilizată).

• Mai mult de 99% din mesajele de la MTU către unităţile RTU sunt iniţiate automat. • Unitatea master MTU trebuie de asemenea să comunice cu imprimante şi unităţi de afişare

(display) care formează interfaţa operator. • Acest lucru îl face prin aceleaşi tehnici, metode ca acelea utilizate de către orice calculator. • Multor unităţi MTU li se cere să transfere date către calculatoare ale departamentului financiar-

contabil, ale departamentului de afaceri corporative sau către reţele de calculatoare. • În unele cazuri se utilizează protocoale proprietar.

31

• În alte cazuri se utilizează protocoalele („open products”) proiectate special pentru comunicaţiile între calculatoare.

• La acest nivel de comunicaţii comunicaţia “peer-to-peer” este mai utilizată decât comunicaţia “master-slave”.

• Aproape toate aceste tipuri de comunicaţii sunt derulate prin reţele locale (LAN, local area network). Configurarea unui proces

• Pentru ca o unitatea master MTU să facă toate aceste lucruri, trebuie să existe o descriere foarte detaliată a tuturor senzorilor şi sistemelor de acţionare care sunt conectate la proces.

• Pentru a fi mânuite în cea mai eficientă manieră (din punct de vedere al timpului), această descriere trebuie aranjată într-o formă ierarhizată.

• Diferite procese pot beneficia de diferite forme ierarhizate, şi căile posibile utilizate frecvent pentru descrierea procesului vor avea acelaşi rezultat.

• Acest lucru va fi explicat în exemplul 8-1, pentru închiderea unei valve a unei conducte. • Pentru a vizualiza cum poate fi descrisă schema procesului la unitatea master MTU, se consideră

procesul foarte simplu prezentat în Fig. 8.1, care reprezintă o conductă aflată sub controlul unei unităţi master MTU.

• La capătul de intrare a conductei, unitatea RTU 1 monitorizează starea pompei, care poate fi fie „on” fie „off”. De asemenea permite ca pompa să fie controlată, on sau off, şi o valvă să fie controlată, deschisă sau închisă, de la unitatea master MTU. RTU monitorizează poziţia, deschisă sau închisă, a valvei şi permite ca debitul acumulat sau debitul total de fluid ce trece prin conductă să fie cules/colectat/adunat de la unitatea master MTU. În final, RTU 1 permite pentru un switch de presiune scăzută, care va fi interpretat ca o alarmă, să fie monitorizat de la unitatea master MTU.

• La unitatea RTU 3, sunt valabile aceleaşi funcţii cu excepţia că nu există o pompă de monitorizat sau de controlat.

• La unitatea RTU 2, există doar o valvă, care poate fi controlatâ şi monitorizată, şi alarma de presiune scăzută, ce se interfaţează către unitatea master MTU. Există un sistem SCADA foarte simplu dar funcţional pentru monitorizarea şi controlul conductei.

• Ce i se cere acestui sistem să facă este să urmărească curgerea fluidului ce intră pe conductă pe durata a 24 de ore, să scadă fluidul ce iese din conductă, şi să ofere o alarmă la unitatea master MTU aşa încât operatorul să ştie când există o problemă.

• De asemenea trebuie să urmărească switch-urile alarmă de presiune scăzută de la fiecare unitate RTU şi dacă conducta nu lucrează corespunzător, să dea alarma la unitatea master MTU.

• Dacă operatorul acţionează pentru a închidă conducta, unitatea master MTU trebuie să trimită o comandă de prioritate înaltă la fiecare unitate RTU care are o valvă, comandându-i unităţii RTU să închidă valva.

• În acelaşi timp, trebuie să comande unităţii RTU 1 să oprească pompa. • Apoi trebuie să verifice ca fiecare valvă să fie închisă. • Dacă valva e închisă, unitatea master MTU trebuie să-l informeze pe operator. • Dacă valva nu este închisă, trebuie să-l informeze pe operator şi să retrimită comanda de

închidere a valvei către unitatea RTU. • După un număr predeterminat de încercări, unitatea master MTU trebuie să-l informeze pe

operator că valva refuză să se închidă şi să oprească încercarea de a o închide.

32

• În plus la aceste acţiuni, care au loc la oprire, unitatea master MTU trebuie să-l informeze pe operator când este „întrebată” de starea pompei sau valvelor.

• Unitatea master MTU trebuie să-i permită operatorului să deschidă sau închidă de la distanţă oricare din valve.

• La schimbările de tură sau la cerere, trebuie să tipărească un raport în care să se precizeze cât de mult fluid a fost livrat la ieşirea din conductă în ultimul schimb, în ultimele 24 de ore, şi în anterioara perioadă de 24 de ore.

• Unitatea master MTU trebuie de asemenea să tipărească, pe o imprimantă de alarme separată, o descriere ce include data şi momentul de timp al fiecărei apariţii a unei condiţii de alarmare.

• Procesul de descriere al procesului/instalaţiei unităţii master MTU este denumit configurare. • El constă în completarea unui tabel pe care unitatea master MTU o poate utiliza când are nevoie a

şti cum arată procesul său/instalaţia sa. • Multă lume e familiarizată cu calculatoarele desktop ce permit conectarea a diferite monitoare sau

imprimante. • Când este setat un calculator, operatorul este întrebat despre fabricantul şi modelul unui

dispozitiv ce este conectat la un port al calculatorului. • Prin răspunsul la aceste întrebări, operatorul furnizează o imagine a procesului/sistemului

calculatorului – sau o configurare a sistemului. • De aceea, dacă calculatorului i se cere să trimită un mesaj la portul LPT1, el va utiliza protocolul

corect pentru acest port. • Configurarea unei unităţi MTU nu este cu mult diferită, dar sunt mult mai multe întrebări la care

trebuie răspuns. • La nivel fizic, aşa cum se arată în Fig. 8.2, configurarea MTU este foarte similară configurării

unui calculator desktop. • Trebuie descris monitorul (color, VGA, etc.), imprimanta pentru rapoarte (protocol, paper feed,

layout, etc.). Imprimanta de alarme trebuie descrisă în mod similar. • Conexiunile la unităţile RTU trebuie configurate de asemenea. • Presupunând comunicaţii radio full-duplex, informaţia de configurare trebuie să includă aspecte

precum durata de timp ce îi ia transmiţătorului radio să comute on, rata de transfer a datelor, şi protocolul.

• Acestea descriu echipamentul ce este conectat fizic la unitatea master MTU. • Pe lângă comunicaţia radio, trebuie configurate mai multe lucruri. • Unităţii master MTU trebuie să i se spună câte unităţi RTU există şi care este identificarea

fiecăreia din ele. • În acest exemplu, Fig. 8.3 prezintă cele 3 unităţi RTU şi numerele lor de identificare 1, 2 şi 3.

Scrise în binar acestea sunt 00000001, 00000010 şi 00000011. • Unitatea master MTU trebuie să ştie ce este conectat la fiecare terminal al fiecărei unităţi RTU. • Configurarea MTU trebuie, desigur, să fie identică configurării RTU la acest nivel. • În Fig. 8.4, intrările în şi ieşirile din unitatea RTU au fost grupate. • La acest nivel vom defini că toate ieşirile discrete sunt codificate cu 001, toate intrările discrete

codificate cu 010, şi toate ieşirile totalizatoare cu 011. • Dacă există intrări analogice, ieşiri analogice sau ieşiri de tip tren de impulsuri, ele se vor

identifica/codifica pe grupe.

33

• De remarcat că multe din punctele configuraţiei din grupe sunt prezentate ca NC (not connected = neconectate).

• Unităţile RTU sunt construite fizic ca dispozitive modulare, şi, chiar dacă doar o ieşire totalizatoare este necesară, cel mai mic modul disponibil are 4.

• Pe cel mai mic modul disponibil pentru ieşiri discrete sau intrări discrete pot fi 4, 8 sau 16. Figurile 8.5 şi 8.6 prezintă exemple de astfel de module.

• Cu acest sistem de codificare simplu, avem acum descris în esenţă tot ce se conectează la unitatea master MTU. De exemplu, pentru oprirea pompei numărul 4, unitatea master MTU trebuie să furnizeze un semnal către modem ce spune „Pune un 0 la următoare adresă registru”:

• RTU 1 0001• Discrete Ouputs 001• Pomp Number 4 0100

------------------------------------------------------------• TOTAL ADDRESS 00010010100 • TOTAL MESSAGE 000100101000 • Similar, pentru a porni pompa, unitatea master MTU trebuie să trimită un semnal ce spune „Pune

un 1 la următoarea adresă registru”:• RTU 1 0001• Discrete Ouputs 001• Pomp Number 4 0100

------------------------------------------------------• TOTAL ADDRESS 00010010100 • TOTAL MESSAGE 000100101001 • Depinzând dacă un 0 sau un 1 este în această poziţie a registrului, unitatea master MTU va

deduce dacă presiunea este scăzută sau este normală. • De remarcat că un bit, cea mai mică unitate disponibilă pentru date, este suficient a schimba

poziţia unei valve sau a citi starea unui switch. • Intrările totalizatoare şi punctele analogice sunt ceva mai complexe decât punctele discrete.

Informaţia în aceste tipuri de semnale nu pot fi conţinute doar de un bit. • Uzual, pentru o mărime analogică este nevoie de un cuvânt ce conţine 16 biţi (deşi uneori poate fi

şi de 8, 12 sau 32 biţi). • Atât timp cât amândouă, MTU şi RTU, sunt configurate la fel şi protocolul de comunicaţie poate

manipula cuvinte, numărul de biţi nu contează. • Mesajul trimis de către unitatea master MTU către unitatea RTU va descrie locaţia registru pentru

primul bit al cuvântului. • Când unitatea RTU primeşte acest mesaj, va trimite informaţia din acea locaţie precum şi din

următoarele 15 locaţii (biţi) către unitatea master MTU. • Cu această detaliere, unitatea master MTU poate fi informată despre ce se întâmplă peste tot în

mediul său. • Poate de asemenea ajunge la toate punctele la care este conectată pentru a efectua schimbări. • Va fi o reală neplăcere dacă operatorul trebuie să memoreze aceste coduri lungi, care sunt aşa de

uşor de manipulat de către un calculator. • O interfaţă operator intrare-ieşire sau o interfaţă om-maşină trebuie configurată.

34

• După ce s-a făcut configurarea, când operatorul cere să afle starea condiţiei de alarmă pentru presiune scăzută la unitatea RTU 1, unitatea master MTU va şti că întreabă ce bit este în poziţia registru 0100101 în RTU numărul 0001; va şti că dacă găseşte un 1 în acea poziţie a registrului, mesajul ce ar trebui să-l trimită către monitor/interfaţă este „Presiunea din conductă este normală”.

• Când a fost făcută toată această configurare, sistemul SCADA are o imagine completă a procesului şi are abilitatea să comunice această informaţie către operatori, unităţile RTU şi celelalte echipamente. Aplicaţii

• Multe aplicaţii standard fac apel la sisteme SCADA. • De exemplu, o aplicaţie ar putea cere ca unitatea master MTU să realizeze o scanare a fiecărei

unităţi RTU la fiecare 10 minute. • O altă aplicaţie ar putea cere ca starea oricărui punct de alarmare să fie citită pentru a i se

compara starea cu cea de la scanarea anterioară şi dacă există o diferenţă, noua stare plus timpul ultimei scanări să fie imprimate.

• Aceste aplicaţii simple, pe care unitatea master MTU le poate trata ca subrutine, pot fi combinate altele în aplicaţii utile, mai complexe. În limbajul de programare ele sunt echipate cu “hooks” care le permit să se conecteze împreună.

• “hook” – cârlig – locaţie dintr-o rutină sau dintr-un program prin intermediul căreia programatorul poate conecta sau insera alte rutine în vederea depanării sau adăugării de noi funcţii.

• Exemplu 8.1. Utilizând configurarea SCADA definită anterior, investigăm o aplicaţie de detectare a scurgerilor. Există câteva căi mai bune de detectare a scurgerilor, dar această metodă a fost utilizată cu succes şi are atractivitate fiind simplă. Este denumită metoda bilanţului volumetric.

• Principiul acestei metode este că pentru un fluid necompresibil (lichid) printr-o conductă, ce intră trebuie să fie egal cu ce iese din conductă.

• Dacă fluxul ce iese din conductă este mai mare decât cel ce intră atunci este o eroare de măsurare, şi probabil unul sau mai multe dintre instrumentele de măsură au nevoie de recalibrare.

• Dacă ieşirea este mai mică decât intrarea, există 2 posibilităţi: o eroare de măsurare sau o ieşire nedorită din conductă (scurgere).

• Dinamica conductei, în particular schimbările de volum datorate valurilor de presiune, pot cauza inegalităţi pe termen scurt care pot fi filtrate prin compararea ieşirilor şi intrărilor medii.

• Schema aplicaţiei va arăta astfel: 1. Conduce/comandă o scanare a fiecărei unităţi RTU la fiecare 10 minute. 2. Adaugă o nouă citire a intrării cu ajutorul instrumentului de măsură la cele 4 anterioare şi împarte la 5 (o filtrare medie a intrării). 3. Adaugă o nouă citire a ieşirii cu ajutorul instrumentului de măsură la cele 4 anterioare şi împarte la 5 (o filtrare medie a ieşirii). 4. Scade suma citirilor ieşirii din suma citirilor intrării (diferenţa). 5. Împarte diferenţa obţinută la pasul 4 prin suma obţinută la pasul 2 (rata erorii). 6. Înmulţeşte rezultatul obţinut la pasul 5 cu 100 (eroarea procentuală per scanare). . Compară numărul obţinut la pasul 6 cu numărul selectat de operator şi definit ca “eroarea minimă pentru alarmare“.

35

8. Dacă eroarea procentuală este mai mică decât numărul selectat de operator, nu se cere o altă acţiune. Înapoi la pasul 1. 9. Dacă eroarea procentuală este mai mare decât numărul selectat de operator, se verifică dacă a fost generată o alarmă la scanarea anterioară. Dacă da, nu se cere o altă acţiune. Înapoi la pasul 1. Dacă numărul de la pasul 6 este negativ, se trimite o alarmă către monitor care spune “Eroare de măsurare la instrumentul de măsură a intrării sau la cel al ieşirii! Verifică calibrarea.” Trimite acelaşi mesaj cu momentul de timp către jurnalul de alarme. Înapoi la pasul 1.10. Dacă numărul de la pasul 6 este pozitiv, trimite o alarmă la monitor ce spune ”Potenţială scurgere din conductă”. Trimite acelaşi mesaj cu momentul de timp către jurnalul de alarme. Înapoi la pasul 1. Ar putea fi făcute câteva schimbări la această aplicaţie pentru a o face mai utilă, şi multe detalii e nevoie a se adăuga pentru a face ca aplicaţia să meargă într-adevăr, dar detalii suficiente au fost arătate în exemplul 8.1 pentru a vă da o idee a cum lucrează aplicaţia

• Exemplul 8.2. Unul din beneficiile economice ale unui sistem SCADA este că permite unui operator să realizeze rutine, iniţializate manual, schimbări ale controlului de la distanţă. În acest exemplu, se prezintă o aplicaţie ce permite unei valve de la intrarea conductei sa fie închisă.

• Schema aplicaţiei va arăta astfel: 1. Dacă este făcută o cerere de la tastatură pentru „Închide valva de intrare în conductă”, se setează un flag (o variabilă se pune în 1) în registrul unităţii master MTU rezervat acestei funcţii. 2. De fiecare dată când este comandată o scanare, se verifică acest registrul al MTU şi se compară ce este înscris în el cu ce este într-un registru din MTU ce spune care este starea valvei (1 pentru închisă, 0 pentru deschisă). 3. Dacă conţinutul registrelor este acelaşi, se trimite un mesaj către monitor care afişează “Valva de intrare în conductă este deja închisă”. Se trece în modul standby. 4. Dacă conţinutul registrelor este diferit, se include un mesaj în această baleiere care cere ca valva de la RTU 1 să se închidă. După următoarea scanare, se verifică că starea valvei de la RTU 1 este închisă. Dacă este, se trimite un mesaj către monitor care spune “Valva de intrare în conductă este acum închisă”. Se trece în modul standy. 6. Dacă se citeşte starea “deschisă”, se retrimite ordinul de închidere la următoarea scanare. 7. După încă o scanare, se verifică dacă valva este închisă. Dacă este, se trimite un mesaj către monitor care spune “Valva de intrare în conductă este acum închisă”. Se trece în modul standy. 8. Dacă valva nu este încă închisă, se trimite un mesaj către monitor şi către imprimanta de alarme, ce spune „Valva de intrare în conductă refuză să se închidă”. Se trece în modul standy.

• Exemplul 8.3. Se poate înţelege că atunci când sistemul SCADA a determinat că există “o potenţială scurgere din conductă” operatorul poate dori să închidă rapid toate valvele. Mai degrabă decât apelarea unor aplicaţii individuale, fiecare din ele închizând şi verificând o valvă, ar putea fi dezvoltată o altă aplicaţie.

• Schema aplicaţiei va arăta astfel: 1. Dacă este făcută o cerere de la tastatură pentru „Închide intrarea în conductă”, se setează un flag (o variabilă se pune în 1) în registrul unităţii master MTU rezervat valvei de închidere a conductei de la RTU 1, se opreşte pompa de la RTU 1, se închide valva conductei de la RTU 2, şi se închide valva conductei de la RTU 3. Fiecare din cele 4 instrucţiuni individuale trebuie realizate în acelaşi mod detaliat în Exemplul 8.2.

36

2. În loc de a se aştepta următoarea scanare, ordinul “Închide intrarea în conductă” are o prioritate suficient de mare pentru a iniţia o scanare specială cu acele unităţi RTU care sunt implicate în închiderea conductei. 3. După comanda către unităţile RTU, unitatea master MTU trebuie să se întoarcă la fiecare din ele pentru a verifica îndeplinirea. După informarea operatorului că conducta este închisă, unitatea master MTU trebui să se întoarcă la scanarea normală.

• Mult mai multe aplicaţii complexe se pot dezvolta utilizând aplicaţii mai simple ca module sau subrutine. Stocarea datelor

• În acelaşi mod în care unităţii RTU i se cere să stocheze anumite date critice, precum valori măsurate de la instrumente de măsurare, pentru perioade extinse de timp, şi unitatea master MTU trebuie să stocheze anumite clase de date.

• Abilitatea lor de a transfera informaţii către următorul calculator pe un nivel mai înalt poate fi inhibată de o defectare a conexiunilor de la un sistem la altul.

• O estimare a celei mai lungi durate de timp necesare a descoperi şi repara o astfel de defecţiune, incluzând o margine de siguranţă adecvată, ar trebui să formeze baza de calcul a cât de mult din istoria acestor date critice trebuie reţinută.

• Înaintea existenţei capabilităţilor interfeţei grafice, nu a existat mult interes de a memora cantităţi mari de date.

• SCADA este o unealtă operaţională, aşa că referinţe despre ceea ce s-a întâmplat acum 4 luni nu au fost văzute ca fiind foarte utile operatorilor.

• Când au devenit disponibile interfeţele grafice, această situaţie s-a schimbat. • Operatorii pot cere plotarea în timp a aproape oricăror date. • Plotarea a două sau mau mai multor evoluţii furnizează informaţii despre interdependenţa

mulţimilor de date care altfel ar fi dificil de vizualizat. • Aceasta a creat cererea de unităţi MTU echipate cu istorii de date mai mari. • “Vântul bate acum în altă direcţie” când calculatoarele au acces foarte rapid la alte baze de date

via comunicaţiile prin reţea. • Figura 8.7 prezintă o diagramă bloc a unui sistem care permite unei unităţi MTU, la fel ca multor

altor subsisteme, să memoreze câteva din datele sale într-o zonă de stocare a datelor centrale. • Această capabilitate va cauza ca cele mai multe date care nu sunt critice pentru operare (precum

informaţiile din trecut) să fie memorate în zona de stocare a datelor centrale. • Datele care sunt vitale, precum tabelele de căutare şi informaţiile de configurare, vor continua să

fie memorate de către unitatea master MTU.• Multe din informaţiile necesare operării sistemului SCADA nu sunt de interes altor sisteme

SCADA. • Este probabil fără valoare reţinerea lor şi vor fi şterse după trecerea unui interval de timp.

37