Tehnologii integrate

Introducere

În condiţiile unei economii competitive, a concurenţei dintre firmele ce lucrează în acelaşi domeniu, creşterea productivităţii, rezolvarea rapidă a defecţiunilor, calitatea serviciilor este un factor foarte important. Pentru a face faţă acestor provocări, firmele apelează la tehnologiile de vârf, care, deşi scumpe, pot duce la creşterea spectaculoasă a eficienţei muncii depuse, în acelaşi timp îmbunătăţind calitatea serviciilor.

La convergenţa tehnologiilor de măsurare, de comunicaţii şi de informaţie a fost dezvoltată o tehnologie complexă, care este specializată pe sarcini ce sunt legate de administrarea reţelelor de transport şi de distribuţie. În cazul reţelelor, reflectarea stărilor se face cu multe variabile, iar interacţiunile pe ramurile ce intră în componenţa acestora pot fi deosebit de complexe. Mai mult, în majoritatea cazurilor, reţelele care trebuiesc administrate sunt de lungime foarte mare şi pot traversa zone diverse.

Sistemele SCADA s-au realizat să facă faţă cerinţelor descrise anterior, denumirea este prescurtarea de la "Supervisory Control And Data Acquisition" (control de supervizare şi achiziţie de date).

Motivaţie

Reţelele de transport şi distribuţie sunt, cum am mai menţionat, extrem de dificil de administrat. Într-o abordare clasică, acest lucru s-a realizat (înaintea apariţiei sistemelor SCADA) prin amplasarea în punctele cheie ale reţelei a unor instrumente de măsură şi formarea unor echipe de teren. Echipele de teren erau menite să citească valorile instrumentelor amplasate în reţea sau să facă măsurători cu aparate de măsură portabile, să comunice valorile citite persoanelor responsabile de administrarea reţelelor şi să execute operaţiile cerute de aceştia. Comunicarea valorilor citite către administratorii de reţele, precum şi în sens invers se făcea ori prin telefon, ori prin staţii de emisie-recepţie. Procedeul a fost foarte încet şi a necesitat personal suplimentar (chiar şi mijloc de transport pentru deplasările mai lungi), dată fiind necesitatea deplasării între diferitele puncte de măsură, respectiv elemente de execuţie.

Pentru eficientizarea citirii valorilor şi a efectuării unor operaţii la distanţă s-au introdus metodologiile de telemăsurători, respectiv comandă la distanţă. Acest lucru a devenit posibil datorită dezvoltării şi scăderii preţului la instrumentele digitale, precum şi a disponibili tăţii mijloacelor moderne de comunicaţii.

Pe de altă, parte echipamentele de calcul devenind tot mai performante şi tot mai ieftine, au fost dezvoltate aplicaţii de simulare şi proiectare ale reţelelor. Aceste instrumente au oferit un sprijin pentru administrarea reţelelor, au putut fi analizate situaţii conform scenariului "ce se întâmplă, dacă …" (what if …). De asemenea programele de simulare pot ajuta în minimizarea numărului de instrumente de măsurare necesare pentru a reflecta stări din reţea.

Odată ce s-a implementat un sistem SCADA, operaţiile pot fi moni torizate şi controlate, iar sistemul produce informaţii de maxi mizare a profitului. Deoarece SCADA este centrul declanşării, transmiterii şi a distribuţiei de operaţii, toţi cei care folosesc informaţiile sistemului pot beneficia de o vedere de ansamblu a amplasamentului, instalarea şi funcţionarea sistemului.

Componenţa sistemelor SCADA

Sistemele SCADA sunt alcătuite din compo nente de natură diferită, acestea fiind conectate între ele. Schema principială a unui sistem SCADA este prezentată în figura de pe pagina următoare. În continuare, vor fi enu merate principalele componente după natura lor, urmând să se discute rolul acestora:
• componente de măsurare — în cazul reţelelor de transport şi distribuţie fluide se măsoară presiunea, temperatura şi debi tul, iar pentru reţele electrice se măsoară tensiunea, curentul şi frecvenţa.
• componente de acţionare şi automatizare — exemple pentru reţele de transport şi/sau distribuţie de fluide: vane şi robinete comandate, pompe prevăzute cu comandă, etc.; pentru reţele electrice: comutatoare, întrerupătoare, disjunctoare comandate
• componente hardware — calculatoare, imprimante, plottere, monitoare, afişaje sinoptice, module de conducere a proceselor inteligente, module de comandă cu logică programată, unităţi de stocare (discuri şi/sau benzi magnetice), etc.
• componente software — sisteme de opera re (de timp real, sau nu), sisteme de culegere a datelor, sisteme de gestionare a bazelor de date, programe de simulare, programe de comunicaţii, programe de arhivare/restaurare a datelor
• componente de comunicaţii — comunicaţiile se pot efectua pe diferite căi, din această cauză vor fi discutate de la caz la caz:
• reţele LAN — cablurile reţelelor (cabluri coaxiale, UTP, optice) , plăci de reţea
• linii telefonice (închiriate sau proprie tare) — linii telefonice, modemuri
• mijloace de comunicaţii radio terestre — staţii de emisie-recepţie, relee de transmisie
• mijloace de comunicaţii prin sateliţi — staţii de emisie-recepţie sateliţi

Componentele de măsurare pot fi traductori simpli conectaţi la o unitate de conversie analog-digitală, sau pot fi instrumente de măsură cu ieşire digitală. Valoarea digitală a măsurătorii se preia de către un controller de teletransmisie (RTU — remote terminal unit), care evaluează rezultatul măsurătorii (se face o verificare de încadrare între limi tele de măsurare prestabilite), pentru unele cazuri obişnuite iniţiază efectuarea unor comenzi şi comunică rezultatele măsurătorii către sistemul central de prelucrare.

Componentele de acţionare şi automatizare sunt conectate la unităţile terminale de teletransmisie RTU sau la controloarele logi ce programabile (PLC), care pe baza rezultatelor evaluării, sau pe baza comenzilor sosite de la sistemul central de prelucrare comandă efectuarea unor operaţii. De remar cat că RTU-urile sunt module decizionale locale, ce pot iniţia unele opera ţii critice sau de rutină.

Componentele hardware oferă suportul de prelucrare, stocare, introducere, afişare şi trasare sau imprimare a datelor. Pentru sistemele SCADA se folosesc diverse echipamente, rolul fiecăruia este bine determinat. Trebuie reţinut însă faptul, că din conside rente de siguranţă se obişnuieşte folosirea unor elemente redundante pentru a preveni pierderea datelor sau întreruperea funcţionării. Unele componente hardware sunt speciale, de exemplu afişajele sinoptice sunt de construcţie specială, acestea trebuie să ofere o vedere de ansamblu asupra dispunerii reţelei. De obicei, sistemul trebuie să ofere disponibilitate totală — 365 de zile din 365 şi 24 de ore din 24, din această cauză toate componentele critice trebuie să fie de calitate corespunzătoare acestei cerinţe.

Componentele software oferă pe de o parte suport pentru prelucrare (sisteme de operare, medii de rulare a programelor şi de dezvoltare), iar pe de altă parte asigură mijloace de urmărire, vizualizare, prelucrare a datelor. Pe baza unor prelucrări, unele dintre aceste componente pot iniţia operaţii fizi ce, cum ar fi comandarea unor elemente de acţionare şi automatizare. Tot aici trebuie menţionate şi programele de comunicaţii, care pe lângă suportul electronic de comunicare asigură legăturile între diferitele elemente ale sistemului. Una dintre componentele cele mai importante ale sistemelor SCADA sunt sistemele de gestiune a bazelor de date (SGBD), trebuie să existe o bază de date de timp real pentru a putea înregistra valorile momentane, care asigură suportul unor prelucrări de timp real pe de o parte, iar pe de altă parte aceste date se vor înre gistra pentru analize ulterioare în baze de date convenţionale.

Componentele de comunicaţii oferă mijloacele fizice de legături dintre componente. Între diferitele elemente pot exista diferite mijloace de comunicaţii, de exemplu sistemul central de prelucrare va fi alcătuit din echipamente ce sunt conectate între ele prin LAN (în condiţiile în care acestea sunt dispuse într-un sediu central), dar legătura dintre sistemul central de prelucrare şi elementele amplasate la distanţă (componente de mă surare, componente de acţionare şi automatizare, echipamente decizionale locale) se va face prin alte mijloace de comunicaţii: linii telefonice (închiriate sau proprietare), mijloace de comunicaţii radio terestre, mijloace de comunicaţii prin sateliţi. Trebuie menţionat că pentru sistemul central de prelucrare se va folosi un sistem de operare în timp real, care să poată oferi serviciile necesare pentru timp de răspuns ra pid. Despre alegerea mijloacelor de comunicaţii, trebuie menţionat că opţiunea pentru LAN este justificată doar pentru comunicaţii pe distanţe mici între echipamentele de conectat, modemurile se pot justifica pentru distanţe medii sau mari în cazul în care este disponibil câte un capăt de linie telefonică pentru fiecare punct din care se doreşte transmisie de date, staţiile radio terestre sunt o opţiune pentru comunicarea cu puncte cu dispersie teritorială mare, iar comunicaţiile prin satelit pentru puncte la distanţă foarte mare. Deoarece comunicaţiile asigură flu xul de date vital al sistemului, se vor folosi mijloace redundante de comunicaţii, pentru a preîntâmpina căderea parţială sau totală a sistemului.

Servicii sistem

Pentru a oferi suport decizional, sistemele SCADA trebuie să ofere o mare varietate de servicii. Enumerarea exhaustivă a tuturor serviciilor ar fi poate chiar imposibilă, de aceea se va insista numai asupra serviciilor mai importante şi a celor mai reprezentative.

Datele culese de modulele de măsurare trebuie să ajungă la elementele locale şi centrale de prelucrare, iar pe de altă parte şi comenzile date de operatori sau procedurile iniţiate de sistemul central de prelucrare sau de cele lo cale de decizie trebuie să ajungă la elementele de execuţie, din aceasta rezultă necesitatea serviciului de comunicare. Strâns legat de serviciul de comunicare este serviciul de achiziţie de date şi serviciul de comandă la distanţă.

Operatorii trebuie să poată urmări pe un panou sinoptic mare dispunerea reţelei, cu afişarea celor mai importante stări. Acest panou trebuie să poată oferi o vedere de ansamblu a întregii reţele, cu informaţiile esenţiale de stare, fără a fi supraîncărcat. Valo rile de stare de detaliu ale unor puncte sau porţiuni se vor afişa pe ecrane mai mici, care pot fi ale unor monitoare de calculator obişnuite. Pe aceleaşi afişaje de detalii trebuie să fie disponibile operatorului anumite comenzi, ce pot iniţia operaţii ale elementelor de execuţie de la distanţă. Afişarea datelor şi a posibilelor elemente de comandă, împreună cu programele ce deservesc aceste funcţii, asigură interfaţa de operare.

În funcţionarea unor reţele este importantă urmărirea tendinţelor de variaţii ale variabilelor de stare, cu menţionarea faptului că jurnalizarea datelor pe anumite perioade de timp poate fi folosit şi în scop predictiv, pe lângă faptul că pe baza unor analize ulterioare se pot depista unele pro bleme de administrare. Din această cauză se va înregistra într-o bază de date o istorie a evenimentelor, care pe lângă valorile de stare, va conţine şi eventualele alarme şi comenzi date de operatori.

Urmărirea şi analiza tendinţelor este esenţială pentru a putea lua deciziile corecte. Acest serviciu presupune jurnalizarea datelor pe de o parte, iar pe de altă parte analize predictive. Acestea amândouă sunt legate şi de serviciile de afişare. Analizele de consum (care se pot deduce din valorile de stare) sunt utile pentru depistarea vârfurilor de consum zilnice, săptămânale, lunare şi anuale; pe baza acestor date se pot seta parametrii pentru analizele predictive, rezultatele acestora vor uşura munca operatorilor.

Urmare a luării unor decizii, operatorii vor iniţia anumite acţiuni, acestea vor apela la serviciile de lansare a comenzilor la distanţă. De asemenea este necesară urmărirea efectuării, sau cel puţin a finalizării comenzilor date.

Un serviciu legat de achiziţia de date este verificarea datelor faţă de nişte limite stabilite dinainte. Această verificare se face de regulă local, înainte de a trimite datele sistemului central de prelucrare. Verificarea se face ca datele să fie valide, teletransmisia să funcţioneze, dacă există mod de test pentru RTU, dacă valorile au fost extrase din baza de date locală, dacă a apărut o eroare de calcul. Dacă a apărut una din condiţiile excepţionale, se declanşează serviciul de alarmare.

Un deziderat important este verificarea accesului în sistem, acest lucru este efectuat de serviciul de securitate, care permite accesul pe bază de parole. La fiecare calculator sau terminal accesul este protejat şi are un anumit nivel de acces. De asemenea opera torii sistemului posedă câte o parolă, care dă un anumit nivel de acces (de la propriul calculator sau terminal). Accesul la sistem al unui operator de la un anumit terminal se face pe baza parolei proprii, drepturile de acces acordate de sistem fiind mini mul dintre drepturile implicite ale terminalului şi ale operatorului.

Dintre instrumentele de analiză ale unui sistem SCADA un loc aparte îl ocupă serviciul de simulare. Aceasta permite simularea reţelei, ceea ce oferă printre altele avantajul că se pot monta mai puţine elemente de măsurare, deoarece simularea va permite interpolarea valorilor şi în unele puncte în care nu sunt montate asemenea instrumente. Pe de altă parte, tot sistemul de simulare permite analiza unor scenarii de tip "ce se întâmplă, dacă …", acestea se pot referi la impactul unor dezvoltări, extinderi de reţele, efectul scăderii presiunii datorită unei avarii — în cazul unei reţele de transport fluide, căderea unei staţii de transformare — pentru cazul unei reţele electrice, ş.a.m.d.

Cerinţe de bază

Cerinţele pentru sistemul SCADA şi componentele sale sunt multiple, cea mai importantă dintre ele este deschiderea. Deschiderea unui sistem este în partea covâr şitoare asigurată de respectarea unor standarde. (Trebuie însă menţionat că există şi implementări, care nu respectă această ce rinţă, s-au elaborat sisteme proprietar, care însă oferă interfeţe de conectare cu alte aplicaţii.) Menirea deschiderii este posibilitatea conlucrării cu alte sisteme — cum ar fi de exemplu sistemul informatic al întreprinderii, sistemul programelor de proiecta re, sistemul de facturare a consumurilor, staţii de lucru LAN/WAN, sisteme de comandă distribuite, sisteme de conducere a fabricaţiei, sisteme de modelare a proceselor, sisteme de optimizare, etc. —, şi a posibilitatea extinderii funcţionalităţii. Deschide rea trebuie să fie prezentă atât din punct de vedere hardware (platforme hardware diferite), software (sisteme de operare diferite şi cod portabil), comunicaţii (standarde internaţionale şi de facto), cât şi din punct de vedere al administrării datelor (cum ar fi de exemplu, respectarea standardelor (SAG) SQL Acces Group) şi al aplicaţiilor (posibilităţi de interfaţare şi suport oferit pentru alte programe). Pentru a satisface această cerinţă în cazurile concrete s-a optat în majoritatea cazurilor pentru arhitectura deschisă "client-server".

A doua cerinţă importantă este adapta bilitatea: posibilitatea de a configura componentele conform cerinţelor concrete, chiar în cazul în care aceste cerinţe se modifică pe parcursul duratei de viaţă a sistemului; posibilitatea de a conecta noi echipamente sau programe la sistemul existent.

Punerea la dispoziţie a datelor necesare în timp util este un alt deziderat foarte important, astfel pot fi luate măsuri utile (şi de asemenea în timp util), care ar provoca eventual accidente sau pur şi simplu reclamaţii din partea unor clienţi.

Securitatea şi siguranţa datelor este de asemenea foarte importantă, pătrunderea unor intruşi nedoriţi în sistem pot duce la dezvăluirea unor informaţii de firmă confidenţiale sau chiar la efectuarea de comenzi de către intruşi, ce pot provoca disfuncţiona lităţi grave în sistem. De asemenea, este necesară punerea la punct a unui sistem de arhivare, ca datele odată înregistrate să poată fi consultate şi ulterior în vederea unor anali ze. Astfel, datele care s-au arhivat pot fi şterse, acest lucru oferind spaţiu de stocare elibe rat pentru sistem.

Datele achiziţionate să fie necesare şi cât mai puţine posibil, ca sistemul să nu fie supraîncărcat cu date inutile. În acelaşi timp, datele să reflecte cât mai exact starea reţelei, iar sistemul să poată oferi o imagine cât mai completă asupra stărilor, evenimentelor din reţea. În aceeaşi ordine de idei, datele oferite de sistem trebuie să fie conforme cu normele şi reglementările în vigoare.

Sistemul trebuie să ofere posibilitatea depistării rapide a defecţiunilor din reţea, precum şi a localizării cât mai exacte ale acestora. De asemenea, trebuie să poată oferi toate datele referitoare la posibilele elemente implicate în remedierea defecţiunii.

Să ofere o interfaţă prietenoasă cu utilizatorii — elementele cu funcţii similare sau ce se referă la lucruri similare să fie grupate.

Să ofere o disponibilitate ridicată — acest deziderat se poate realiza prin componenţa modulară şi elemente redundante, precum şi includerea de posibilităţi de autotest, izolare şi ocolire a modulelor defecte.

Probleme de implementare

Deoarece implementarea unui sistem SCADA pe scară largă presupune investiţii foarte mari, problema implementării unui astfel de sistem trebuie conceput treptat, implementarea fiecărei faze să conducă la un bene ficiu traductibil în bani. De asemenea, încă din faza de proiectare trebuie ţinut cont de posibilitarea extinderii sistemului, atât în ceea ce priveşte creşterea numărului de puncte de măsurare, cât şi extinderea funcţionalităţii sistemului.

În cursul fazei de concepţie se va apela la consultanţi externi sau se va coopera strâns cu viitorul furnizor, astfel evitându-se eventualele "scăpări" ale proiectării. Deoarece unele părţi ale sistemului pot fi criti ce, nu acceptaţi produsele ieftine, care nu asigură calitatea sau fiabilitatea necesară.

Conducerea firmei trebuie convinsă de utilitatea introducerii unui astfel de sistem prin demonstrarea avantajelor materiale şi a posibilităţii implementării treptate. Utilizatorii probabil că vor arăta reticenţă faţă de un sistem complet nou, cu care nu s-au obişnuit să lucreze, din această cauză ei trebuie educaţi în avans cu introducerea în exploatare a sistemului. De asemenea, cu introducerea de elemente noi, utilizatorii trebuie să ştie dinainte ce sunt acestea şi care este rolul lor. Într-un cuvânt: educarea ma nagementului şi a utilizatorilor este baza succesului oricărui proiect de implementare SCADA.

Pentru implementarea, exploatarea şi întreţinerea sistemului trebuie definite clar scopurile urmărite, trebuie stabilite sarcinile de efectuat şi persoanele care se vor ocupa aceste probleme. Drepturile de acces ale acestor persoane trebuie de asemenea delimitate foarte strict şi clar. Pentru a asista funcţionarea sistemului SCADA se va forma o echipă de intervenţie, care în caz de evenimente excepţionale poate să efectueze reparaţiile necesare, iar periodic va face întreţinerea echipamentelor. Dacă este nevoie sau dacă este mai convenabil din punct de vedere economic, această echipă poate fi de la o firmă specializată.

SCADA