Embed Size (px)
Citation preview
SISTEME DE CONDUCERE ÎN
ENERGETICĂ
Note de curs- pentru uzul studenților
2018
SISTEME DE CONDUCERE CU CALCULATOARE DE
PROCES ÎN ENERGETICĂ
Introducere. Scurt istoric.
Prima categorie de calculatoare utilizată în coordonarea SEE a fost, prin
anii 1930, reprezentată de calculatoare analogice, folosite ca analizoare de
reţea.
Calculatoarelor numerice (CN), au apărut în a doua jumătate a deceniului
cinci, producătorii şi distribuitorii de energie electrică au fost primii utilizatori.
În 1952, Compania Edison instalează un calculator numeric cu tuburi
electronice UNIVAC, folosit pentru calcule de regimuri.
Este urmată apoi la scurt timp de Compania Louisiana Power and Light,
care instalează la centrala sa electrică, primul calculator destinat suprevegherii
regimurilor de funcţionare ale grupurilor.
În anul 1958 erau 25 de calculatoare numerice instalate la distribuitorii de
energie electrică din SUA, iar în anii următori, utilizarea acestora de către
intreprinderile de electricitate a crescut considerabil.
Se apreciază că în anul 1985, USA a cheltuit cca. 1,4 miliarde de dolari
numai pentru echipamente de calcul, şi doar ceva peste 100 milioane de dolari
pentru programarea lor.
În continuare raportul hard/soft s-a schimbat, accentul fiind pus pe partea
de programe care au devenit tot mai scumpe, în timp ce partea de echipamente a
cunoscut o reducere considerabilă a preţurilor chiar în condiţiile creşterii
performanţelor.
În România, prin anii 1960 a fost instalat la DEN calculatorul ELIOT,
utilizat pentru analize off-line de regimuri în SEN. A reprezentat primul
calculator de dimensiuni mari, pentru acel moment, utilizat efectiv în
conducerea SEN.
Domenii de aplicaţii ale calculatoarelor în electroenergetică
Aplicaţiile calculatoarelor în intreprinderilor de electricitate, pot fi grupate
în trei activităţi:
1. Planificare – dezvoltare;
2. Analize de regimuri;
3. Conducere operativă.
În primele două categorii de aplicaţii utilizarea calculatoarelor în regim
off – line este mult mai frecventă. În conducerea operativă însă a unităţilor
energetice, prin dispecere energetice, tot mai mult sunt utilizate calculatoarele în
regim on-line, adică, Calculatoare de Proces (CP).
Activitatea de planificare – dezvoltare
Implică construirea de noi staţii, linii electrice de transport şi distribuţie,
de noi grupuri energetice. Calculatoarele sunt utilizate în regim off/line.
Analize de regimuri
Analizele de regimuri implică programe laborioase rulate în general în
regim off – line.
Dintre domeniile de activitate uzuale în companiile de electricitate în care
analizele de regimuri sunt practici curente menţionăm:
a) în proiectare – pentru alegerea variantelor optime ale liniilor şi
staţiilor electrice, ale centralelor electrice, ale organizărilor de şantiere;
b) în exploatare – pentru fixarea parametrilor de reglaj automat, ai
protecţiilor,
c) în conducerea operativă prin dispecer a SEN, sunt curent utilizate
analize de regimuri de funcţionare preconizate să apară în viitor, fie datorită
variaţiei naturale a consumului (conform curbei de sarcină), fie datorită unor
manevre planificate în sistem.
Conducere operativă
Dotarea cu echipament de calcul şi programe aplicative a dispecerelor
energetice este dependentă de poziţia pe care o ocupă în sistemul de conducere
şi de subsistemul aflat în subordine.
Sistemele informaţionale ataşate dispecerelor energetice sunt concepute
pentru a realiza în timp real următoarele două sarcini de bază :
2
a) informarea dispecerilor privind starea sistemului;
b) asistarea dispecerilor în luarea deciziilor privind conducerea
operativă.
Informarea operatorilor privind starea sistemului - se realizează fie
ciclic, fie la cererea acestora fie în mod imediat, în cazul producerii unor
evenimente (acţionări protecţii, ieşirea / revenirea unor parametrii din limitele
admisibile, modificarea topologiei reţelei, etc.).
Asistarea operatorilor în luarea unor decizii
- privind efectuarea manevrelor operative şi de stabilire a reglajelor
echipamentelor de automatizare şi protecţii;
- operaţiuni de readucere la starea normală de funcţionare, în regimuri
post avarie
Rezolvarea sarcinilor de conducere oprativă a SEN a condus la realizarea
a două categorii de sisteme informatice, specifice domeniului energetic:
1. Sisteme de supraveghere, comandă şi achiziţii de date (SCADA);
2. Sisteme de conducere ghid-operator care în funcţie de obiectivul
energetic deservit pot fi de tip;
- EMS – destinate dispecerelor de sisteme de putere;
- DMS – destinate dispecerelor locale de distribuţie a energiei
electrice;
- LMS - destinate stabilirii regimurilor de funcţionare optime ale
consumatorilor.
Sistemul informatic integrat pentru conducerea reţelelor electrice de distribuţie
Sistemul informatic destinat conducerii operative şi manageriale a unei
RED este un sistem integrat ce conţine următoarele sisteme informatice:
- Sistemul Informatic de Management (MIS) destinat activităţilor
tehnico – administrative din cadrul Sucursalelor de Distribuţie a
energiei electrice
- Sistemul DMS/SCADA destinat conducerii operative a RED.
SCADA - furnizează baza de date privind regimul curent al
componentelor de reţea, asigură supravegherea şi comanda
proceselor distribuite geografic, iar prin funcţiile specifice DMS
asistă dispecerii în luarea celor mai bune decizii privind
manevrele operative.
3
- Sistemul Informatic Geografic (GIS) - set de programe şi
echipamente destinat culegerii, stocării şi prelucrării datelor
spaţiale repartizate geografic, astfel încât să se permită
identificarea şi vizualizarea în spaţiu a obiectivelor de interes.
- În corelaţie cu GIS-ul poate fi considerat şi Sistemul global de
poziţionare (GPS). Acesta este un sistem mondial de
radionavigaţie care foloseşte ca puncte de reper o constelaţie de
24 de sateliţi amplasaţi pe orbite înalte (de ordinul a 20.000 km).
Iniţial acest sistem a fost conceput pentru aplicaţii militare, el
extinzându-se astăzi tot mai mult în aplicaţii civile, inclusiv în
identificarea poziţiilor echipelor de lucru la un moment dat sau a
unor evenimente din reţelele electrice.
1
Sisteme informatice pentru conducerea operativă a RED
1. Aspecte generale
Conducerea operativă prin dispecer a reţelelor electrice moderne -
constă în furnizarea într-un punct unic (dispecer) a unui set de informaţii din
teren, şi eventual intervenţia dispecerului în orice moment, prin intermendiul
telecomenzilor în instalaţiile conduse.
Conducerea operativă se realizează cu ajutorul sistemelor informatice de
proces (SIP), care conţin:
- echipamente de calcul universale şi echipamente de achiziţii şi
transmisii de date;
- metode, proceduri şi mijloace de automatizare.
Rolul SIP în cadrul dispecerilor energetici, este acela de a oferi
operatorilor informaţiile necesare conducerii operative şi de confirmare a
acţiunilor acestora în instalaţiile conduse.
Cerinţele de bază impuse acestor sisteme ar fi:
a) să permită achiziţia şi transmisia unei mari cantităţi de informaţii
dinamice din proces, astfel să prezinte dispecerilor o imagine generală
completă a obiectivului supravegheat cu datele şi parametrii caracteristici
actualizaţi în orice moment;
b) să aibă o redundanţă a datelor cât mai mare posibilă pentru a permite
detecţia anomaliilor în informaţiile transmise şi în cazurile în care este necesar,
să le semnaleze operatorului;
c) să permită evaluarea vulnerabilităţii sistemului sau procesului, în
cazul diverselor intervenţii preconizate a se efectua;
d) să fie realizat în concepţie modulară, pentru a permite o întreţinere
facilă şi eventualele extinderi viitoare, în concordanţă cu dezvoltarea
instalaţiilor şi echipamentelor primare conduse cât şi a tehnicii de calcul şi de
telecomunicaţii;
e) să fie cât mai simplu şi să conţină o interfaţă “prietenoasă” pentru a fi
uşor de asimilat de către personalul de exploatare.
Fizic cerinţele menţionate mai sus se pot realiza:
- cu sisteme informatice de conducere (SC) cu arhitectură concentrată
- cu sisteme de conducere (SC) cu arhitectură distribuită.
2
SC cu arhitectură concentrată (clasică)
Au în componenţă:
- un calculator de proces cu o unitate centrală de calcul UC
(microprocesor, bloc de memorie, interfeţe I/O), mai multe module de
interfaţare cu echipamentele primare, ce formează SIP,
- terminale de telecomunicaţii de date şi de dialog cu operatorul.
Exemple de microcalculatoare de proces clasice - ECAROM, SPOT, PC
industrial, etc.
Sarcinile de supraveghere şi comandă îi revin unei singure unităţi de
calcul, amplasate în camera de comandă (semnalele sunt aduse de la celulele
staţiei la SIP-ul calculatorului, de la şirurile de cleme din panourile existente).
Această soluţie implică un volum mare de cabluri electrice pentru
aducerea semnalelor de la celulele staţiei, traductoare, montate fie la nivelul
fiecărei celule fie în camera de comandă.
SC-ul cu arhitectură concentrată, este astăzi abandonată astăzi în favoarea
sistemelor distribuite.
SC cu arhitectură distribuită
Dezavantajele structurii sistemului concentrat, au condus la realizarea de
structuri cu un număr relativ mare de microcalculatoare de proces, cu funcţii
distincte atît geografic (pe orizontală) cât şi funcţional (pe verticală, ierarhic).
SC cu arhitectură distribuită este destinată obiectivelor energetice de
dimensiuni relativ mari (staţii, centrale electrice) care conţin două nivele
ierarhice de conducere:
- un nivel de conducere inferior, denumit şi Sistem de conducere
subordonat (SCS);
- un nivel de conducere superior, denumit Sistem de conducere
coordonator (SCC). Un astfel de sistem de conducere, constituit din
mai multe subsisteme informatice, organizat pe două sau mai multe
nivele ierarhice, este cunoscut sub denumirea de Sistem de conducere
distribuit.
3
SCC-ul este concepul astfel încât pe baza prelucrării informaţiilor primite
din teren prin intermediul SCS, să poate interveni în proces, fie direct prin
intermediul unor componente de la nivelul inferior, fie să asiste operatorul în
luarea deciziilor privind intervenţiile ce se impun.
Sistemul de Conducere Coordonator (SCC)
SCS1
Instalatia 1
SCS2
Instalatia 2
SCSn
Instalatia n
Nivelul de
conducere
superior
Procesul
condus
Nivelul de
conducere inferior
Fluxuri de
informatii
Semnale
electrice
Fig. 1 Structura de principiu a unui sistem de conducere distribuit
Retea locala de comunicatii- punct central (dispecer) M
M Calculator
control statie
Linie
telefonica
Spre MIS
Server
de
comuni-
catii
Statii de lucru dispeceri
Retea locala de transmisii de date – statie electrica
Echipamen
te de tip
RTU
Fig.2 Exemplu de arhitectura pentru SC-ul distribuit al unei statii electrice
Imprimanta
4
Arhitectura unui astfel de SC destinat monitorizării unei staţii electrice de
distribuţie de către punctul de comandă al unui dispecer energetic de distribuţie
SC constă într-o
- reţea de transmisie de date la nivelul staţiei (centralei) electrice;
- echipamentele de achiziţii date şi comandă de tip RTU, conectate la
reţea care deservesc, una sau două celule;
- calculatorul de comandă şi supraveghere locală a staţie;
- legăturilor de date (linie telefonică şi modemuri) cu serverul de
comunicaţii de la punctul de comandă al dispecerului de distribuţie.
Fluxurile de date şi comenzi în sistemele de conducere
Considerând SC-ul prin cele două nivele de conducere ierarhice, fluxurile
de informaţii şi comenzi ale acestuia, pot fi reprezentate conform schemei de
principiu din fig. 3.
Fluxul de date evidenţiază două bucle de date – comenzi.
Prima buclă conţine:
- sistemele de achiziţii şi prelucrări primare de date şi elaborarea
comenzilor de intervenţie imediată, comenzi aferente sistemelor de
protecţii şi de automatizare existente în procesul condus. Aceste funcţii
Informare Interventie
Achizitie, comanda,
protectie, automatizare
Procesul condus
Decizie
Com
enzi
Dat
e (I
nfo
rmat
ii)
Fig. 3 Fluxurile de informatii si comenzi in cadrul SC al unui proces
industrial
5
sunt implementate în echipamentele de achiziţii şi comandă de tip
RTU, a căror structură este concepută încât să integreze toate aceste
funcţii. Tendinţa actuală de integrare a funcţiilor de supraveghere şi
comandă cu cele de protecţii şi automatizări este justificată de faptul că
toate aceste funcţii au surse comune de informaţii dinspre instalaţiile
primare conduse.
A doua buclă cuprinde:
- sistemul de conducere coordonator, realizează o prelucrare superioară a
datelor primite, pe baza căreia se pot lua decizii referitoare la stabilirea
regimului de funcţionare al procesului condus.
Aceste decizii pot fi generate automat de către SC, în care operatorul este
informat despre starea procesului şi intervenţiile în proces, sau pot fi elaborate
de către operator pe baza informaţiilor curente transmise de SC.
Organizarea de principiu
SC pentru conducerea operativă a reţelelor electrice sunt reprezentate de
două categorii de sisteme:
A. Sisteme de Supraveghere, Conducere şi Achiziţii de DAte (SCADA)
B. Sisteme de conducere ghig operator (decizionale, tip DMS).
Sistemele de Conducere Supraveghere şi Achiziţii de Date (SCADA) constau în:
- echipamente şi programe destinate culegerii datelor din proces şi
transmiterii comenzilor către acesta, ca şi informarea curentă a
dispecerului privind starea şi regimurile de funcţionare ale instalaţiilor
supravegheate;
- creează baza de date pentru SC;
- asigură dialogul dispecer – instalaţii primare,
- alarmarea dispecerului în cazul producerii unor evenimente care
trebuiesc luate în considerare.
Sistemele de conducere ghid operator de tip DMS (sunt sisteme de
conducere evoluate, construite pe structura unor sisteme SCADA);
- asistă dispecerul în luarea celor mai bune decizii privind conducerea
operativă a instalaţiilor din competenţa sa (estimarea stării, reconfigurarea
reţelei, reglajul de tensiune şi putere reactivă, etc.).
Alte SC-uri similare:
- EMS destinate dispecerilor energetici al sistemelor de putere (DEC,
DET);
- LMS destinate dispecerilor energetici ai marilor consumatori
industriali, etc.
6
Sistemele DMS, EMS, LMS, au ca infrastructură informatică un sistem
SCADA. Denumirile uzuale sunt de DMS/SCADA, EMS/SCADA, etc. folosite
în mod curent pentru a desemna un sistem informatic pentru conducere
operativă în cadrul unu dispecer de distribuţie, teritorial, sau central.
Un rol primordial în sistemul de conducere îl au partea de programe
(software) care determină practic performanţele acestora.
Dintre direcţiile prioritare în domeniul elaborării programelor în centrele
de conducere ale dispecerilor menţionăm:
a) informarea dispecerilor privind starea sistemului, la cerere sau în mod
imediat, în cazul unor evenimente ce impun acest lucru;
b) asistarea dispecerilor în luarea unor decizii privind efectuarea unor
manevre, în cazul unor operaţiuni planificate (izolări de elemente de reţea,
conectarea/deconectarea unor elemente, etc), sau al unor regimuri postavarie.
c) analiza pe baza estimării evoluţiei sistemului, a regimurilor de
funcţionare viitoare, în vederea stabilirii măsurilor operative ce se impun şi a
momentelor când trebuie aplicate;
d) indicarea măsurilor pentru optimizarea regimului actual de
funcţionare.
1
ARHITECTURA SISTEMELOR SCADA
PENTRU CONDUCEREA
REŢELELOR ELECTRICE DE DISTRIBUŢIE
Introducere
Aspecte generale
Sistemul SCADA este constituit din toate dispozitivele de comandă,
semnalizare şi telemăsurare de la centrul de comandă şi toate echipamentele
corespunzătoare situate în staţiile electrice. Sistemul SCADA oferă posibilitatea
operatorului de a supraveghea, de a exercita şi de a i se confirma executarea
comenzilor asupra unor echipamente dintr-o staţie (centrală) electrică.
Cel mai simplu sistem SCADA - sistemul master – slave (unu la unu)
constă:
- un calculator coordonator, numit master care este prevăzut cu interfeţe
pentru dialog cu operatorul, interfeţe de transmisii de date;
- un calculator de proces, numit slave, tip RTU, prevăzut cu interfeţe de
proces (pentru intrări şi ieşiri analogice şi numerice) şi o interfaţă de
comunicaţii (fig.4).
Următorul sistem SCADA:
- un singur calculator coordonator – master şi
- mai multe calculatoare de proces – RTU-uri, figurile 4 – 6.
Acest sistem conţine un număr limitat de RTU-uri, adecvat
supravegherii unor staţii electrice de dimensiuni medii.
Staţie
Master
M
odem
Modem
RTU
Intrări analogice
Intrări numerice
Ieşiri analogice
Ieşiri numerice
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
SCC SCL
Telecomunicaţii
Fig.4. Sistem SCADA unu – la - unu
2
Pentru supravegherea unor reţele de distribuţie extinse cu un număr mare
de staţii electrice, este necesară majorarea numărului de RTU-uri, a numărului
de programe de aplicaţii, ajungându-se astfel la sisteme multi-master.
Cerinţele interfeţelor utilizator
Utilizatorii cei mai importanţi ai sistemelor SCADA sunt dispecerii
energetici de distribuţie.
Informaţiile furnizate de sistemul SCADA sunt utilizate şi de personalul
care se ocupă de sistemul de protecţii, întreţinerea staţiilor, facturarea
consumurilor de energie, cât şi de conducerea administrativă a întreprinderii.
În supravegherea sistemelor energetice, dispecerii au nevoie numai de
anumite date ce se referă la problema sa din acel moment. Este necesară o
filtrare a informaţiei utile din noianul de informaţii care sosesc la un moment
dat in cazul unui eveniment în sistem.
În prezent aceste tehnici de filtrare a datelor se realizează pe inteligenţă
artificială.
Cerinţele dispecerilor de a li se prezenta datele sosite din sistem în
secvenţe cât mai logice, necesită interfeţe performante (în sensul puterii de
calcul) ale sistemelor de calcul de la nivelele centrelor de conducere ale
dispecerilor energetici.
Cele mai obişnuite dispozitive aferente interfeţei utilizator sunt
monitoarele video cu tuburi catodice, color ce admit reprezentări grafice
complete, panourile sinoptice, cu afişaj cu diode luminiscente (LED-uri).
În ultimii ani s-au făcut progrese importante în tehnica proiectării pe
ecrane mari, acestea ducând la înlocuirea panourilor sinoptice fizice actuale cu
proiecţii pe ecrane electronice de dimensiuni mari.
Arhitectura de principiu
Sistemele SCADA, aferente conducerii reţelelor şi sistemelor electrice de
putere, sunt sisteme de conducere distribuite pe cel puţin două nivele ierarhice,
realizate astăzi pe baza conceptului de Sistem deschis (Open system).
3
Un sistem deschis conform comitetului IEEE 1003.0 din 1989, permite:
- extinderea cu aplicaţii software şi echipamente, provenite de la diverşi
furnizori, dacă interfeţele acestora cu sistemul respectă anumite
specificaţii tehnice menţinute prin consens;
- conlucrarea cu aplicaţii realizate pe alte sisteme deschise (inclusiv de
la distanţă).
Aceste caracteristici ale Sistemului deschis, aplicate sistemelor SCADA
conferă acestora avantaje considerabile privind:
- posibilităţile de dezvoltare ulterioare, ca efect al progreselor
tehnologice în sistemele informatice şi de comunicaţii,
- reducerea investiţiilor în software-l de aplicaţie şi în resursele umane.
În baza conceptului de Sistem deschis, arhitectura sistemelor SCADA este
gândită ca o reţea informaţională cu noduri de prelucrare cărora li se conferă o
anumită independenţă funcţională şi structurală (ca resurse hardware).
Nodurile de prelucrare ale unui sistem SCADA sunt constituite din
sisteme informatice cu hard şi soft specific poziţiei acestora în cadrul sistemului
şi funcţiilor pe care trebuie să le execute, fig.5.
La nivelul inferior al SCS-urilor avem noduri funcţionale care conţin
echipamente inteligente tip RTU (Remote Terminal Unit) destinate achiziţiei de
date şi transmiterii de comenzi de la/către instalaţiile primare conduse.
RTU realizează:
- interfaţarea cu elementele procesului condus, asigurând transferul de
date şi comenzi de la / la proces.
- prelucrarea informaţiei într-un grad tot mai mare, asigurând funcţiuni
de automatizare, protecţii, măsură, etc. descărcând de astfel de sarcini
sistemele de calcul de la nivelele superioare.
La nivelul imediat superior se găsesc nodurile de comandă locală
destinate supravegherii şi conducerii staţiilor, centralelor electrice, cu sisteme de
calcul dotate cu periferice adecvate conducerii şi supravegherii locale a
procesului.
Calculatoarele din aceste noduri îndeplinesc şi funcţiile specifice
Concentratoarelor de date (Front End Processor), adică de preluare a
informaţiilor transmise de RTU-uri, de verificare şi de stocare a acestora ca şi
funcţiile de transmisii seriale de date.
4
Legătura cu sistemul de conducere superior se realizează prin intermediul
reţelelor de comunicaţii pe scară largă (reţelele de telefonie, reţelele de cabluri
cu fibre optice, etc.)
La nivelele superioare de conducere, în cadrul SCC-urilor se găsesc:
- nodurile funcţionale sunt reprezentate, pe de o parte de servere de
telecomunicaţii cu funcţiuni de transmisii de date şi autosupraveghere;
WS WS WS
Serv
er
TC
WS WS WS
Serv
er
TC
Reţea de comunicaţii extinsă
(WAN)
RTU RTU RTU RTU RTU RTU
Instalaţii şi echipamente ale staţiilor de transformare
CD CD
Reţea locală Reţea locală
Nivel de conducere
local
Funcţii de comunicaţii şi
autosupraveghere
Reţea locală (LAN) Reţea locală (LAN)
Staţii de lucru (Work Stations) Staţii de lucru (Work Stations)
Nivel de conducere
coordonator
Fig. 5 Structura de principiu a unui sistem SCADA
5
- Staţiile de lucru (Work Stations), prevăzute cu interfeţe om-maşină
(MMI – Man Machine Interface) specifice poziţiei şi rolului pe care îl
au în cadrul sistemului SCADA.
Calculatoarele de la acest nivel, sunt prevăzute cu periferice şi software
adecvat conducerii operative a procesului din subordine, cum ar fi sisteme
expert, interfeţe grafice, etc.
În funcţie de categoria procesului condus, acestea îndeplinesc funcţii
specifice EMS, DMS, LMS.
Reţele de transmisii de date în cadrul sistemelor SCADA
Nodurile de prelucrare ale unui sistem SCADA sunt interconectate prin
magistrale de comunicaţii, constituite în reţele de transmisii de date, care în
funcţie de suprafaţa pe care o acoperă, procedurile şi interfeţele standard
utilizate sunt denumite Reţele locale (LAN –Local Area Network), sau Reţele
extinse (WAN – Wide Area Network).
Reţelele locale LAN se utilizează şi pentru transferul de date către staţiile
de lucru din cadrul centrului de conducere de la nivelul superior (dispecer). În
aceste cazuri suportul de comunicaţii este reprezentat de cablurile coaxiale, sau
cu fibră optică, adecvate unor standarde de comunicaţii seriale de mare viteză
(de ordinul zecilor sau chiar sutelor de MegaBytes/secundă).
Legătura dintre diversele reţele locale (LAN-uri) se realizează, în general,
prin intermediul Reţelelor de comunicaţii extinse (WAN), reţele care utilizează
ca suport de transmisie a datelor, fie liniile telefonice (inchiriate sau comutate),
fie liniile electrice aeriene (curenţi de înaltă frecvenţă), fie undele radio sau
reţelele de cabluri cu fibră optică.
4. Scheme de conectare ale calculatoarelor de proces
4.1. Aspecte generale
La nivelul de conducere coordonator (central), pentru prelucrarea
în timp real a informaţiilor primite se impune prezenţa sistemelor de calcul
performante atât ca viteză de lucru, capacitate de memorare, cât şi mai ales ca
fiabilitate.
Sisteme de calcul au ataşate periferice specifice ce formează Consola
Operatorului de Proces (COP), prin care dispecerul trebuie să poată interveni
comod şi eficient în conducerea procesului.
6
La nivelul inferior de conducere - în contact direct cu instalaţiile primare,
se găsesc Sisteme de conducere locale (SCL) care au ca elemente de bază
echipamente inteligente de tipul automatelor programabile RTU. Aceste
echipamente pot realiza, pe lângă funcţiile de achiziţii şi transferuri de date şi
funcţii de conducere automată (reglaje, protecţii, etc), justificându-se astfel,
termenul de SCL.
RTU – urile aferente SCL-ului, sunt prevăzute cu SIP formate din:
- module de Intrări Analogice şi Numerice;
- module de Ieşiri Numerice şi Analogice.
Interconectarea între componentele sistemului SCADA se realizează prin
sistemul de telecomunicaţii constituit din:
- Unităţi de Control a Transmisiei (UCT, interfeţe seriale),
- Linii de conexiune,
- Modem-uri, etc.
Cel mai simplu sistem SCADA constă din:
- un calculator de proces, CP master, situat la nivelul de conducere, SCC
(Sistem de Conducere Coordonator) şi
- un RTU, aflat la nivelul subordonat, SCL (Sistem de Conducere
Local), cunoscut sub denumirea de sistem unu - la – unu, fig.6.
Staţie
Master
M
odem
Modem
RTU
Intrări analogice
Intrări numerice
Ieşiri analogice
Ieşiri numerice
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
SCC SCL
Telecomunicaţii
Fig.6. Sistem SCADA unu – la - unu
7
Interconectarea CP de la nivelele inferioare de conducere
Pentru a degreva SCC de sarcina unui dialog permanent cu RTU – urile
monitorizate, între acestea se poate intercala un µC cu rol de Concentrator de
Date (CD), denumit şi FEP (Front End Processor), fig. 7, ce va monitoriza un
anumit grup de RTU – uri, interconectate în reţeaua de date.
Concentratoarele de date sunt reprezentate de calculatoare cu performanţe
intermediare, similare cu cele ale RTU – urilor, dar prevăzute cu interfeţe de
control a transmisiei de date (UCT) către WAN, făcând astfel, legătura între cele
două reţele de comunicaţii.
Un alt sistem de conectare a RTU-urilor este cel în stea, schema fiind
agreată mai ales în cazul staţiilor de distribuţie sau a punctelor de alimentare de
dimensiuni mici, şi care permit o amplasare centrală pentru concentratorul de
date.
Modem
CD
(FEP)
U
C
T
RTU RTU RTU
Fig. 7. Conectarea RTU – urilor în buclă deschisă
Fig. 8 . Conectarea RTU-urilor în buclă închisă cu concentrator de date
Modem
μP
CD
RTU RTU RTU
RTU
Modem
CD
(FEP)
U
C
T
RTU
RTU
RTU
M
U
X
Fig.9. Conectarea RTU-urilor în stea cu concentrator de date şi
multiplexor RS 232
8
Structura şi organizarea Sistemelor de Conducere
Coordonatoare (SCC)
Sistemele de Conducere Coordonatoare (SCC) amplasate în general în
centrele de conducere ale dispecerilor energetici, sunt prevăzute cu sisteme de
calcul performante, dotate cu câte două CP-uri, conectate în sistem dual (fig.10).
Cele două CP-uri sunt continuu în funcţiune, în sensul că achiziţionează
simultan informaţii din obiectivul energetic condus, actualizându-şi permanent
baza de date. Dintre cele două calculatoare, la un moment dat, numai unul este
conectat cu perifericele ce constituie COP celălalt fiind în rezervă.
5. Comunicaţia
În funcţionarea normală a sistemului electric, se utilizează o varietate de
legături de comunicaţii pentru transferul de informaţii, incluzând:
Canale fir pilot necesare pentru utilizările energiei electrice,
Circuite pilot închiriate de la sistemele de comunicaţii naţionale,
Circuite de transmitere a informaţiilor pe liniile de transport de
energie electică,
Canale radio funcţionând fie la frecvenţe foarte înalte, fie pe
microunde,
Sisteme de comunicaţii prin fibră optică.
Periferice (COP)
CP1 CP2
Spre SCS
Fig. 10 SCC – Schema de principiu
9
În cazul sistemelor SCADA distribuite, distingem următoarele situaţii în
ceea ce priveşte transmisia datelor:
Comunicaţia la nivelul staţiei de transformare, care are scopul de a
realiza interconectarea interfeţelor de achiziţie şi comandă din
staţie. Specific pentru acest nivel sunt perturbaţiile
electromagnetice puternice prezente în staţiile de transformare.
Transmisia de date la distanţă, având drept scop interconectarea
RTU din staţii cu nivelul conducător. Distanţele la acest nivel sunt
mari (de ordinul zeci-sute de km), suportul de comunicaţii oferă
debite reduse şi este supus unor multiple perturbaţii.
Comunicaţia la nivelul conducător, constă în reţele locale de mare
viteză. La acest nivel capacitatea reţelei locale trebuie să răspundă
la necesităţile de trafic şi timp de răspuns, deoarece aplicaţiile de
la punctul central folosesc foarte mult comunicaţia în reţea.
Arhitectura sistemului de telecomunicaţii
Transferul de informaţii din cadrul sistemelor de conducere este realizat
de sistemul său de telecomunicaţii, care este o componentă esenţială a acestuia.
Transferul se realizează prin reţele de telecomunicaţie pe baza unor reguli
general acceptate ce formează aşa numitul protocol de telecomunicaţie. Acest
protocol precizează modurile de selectare ale receptorului, codurile de comandă,
vitezele de transmisie, structura şi cronologia mesajelor transmise, etc.
În cadrul sistemelor SCADA distingem următoarele situaţii specifice în ce
priveşte transferul de informaţii şi comenzi:
- comunicaţia de date la nivelul staţiei de transformare, care
interconectează echipamentele de achiziţii şi comandă din staţie;
- comunicaţia de date la distanţă, prin care se realizează legăturile de
date între echipamentele din staţie şi centrul de comandă (dispecerul)
de reţea;
- comunicaţia la nivelul centrului de comandă, realizată prin reţele
locale de mare viteză, zeci sau sute de Mbiţi/sec., care asigură
inerconectarea serverelor de comunicaţii cu staţiile de lucru,
perifericele specifice centrului de comandă, etc.
10
Comunicaţia la nivelul staţiei de transformare
În cazul specific al conectării RTU într-o magistrală locală la nivelul
staţiei de transformare, trebuie luate în considerare următoarele elemente:
Debitul maxim de informaţii care poate fi vehiculat între un RTU
şi nivelul ierarhic superior;
Debitul maxim de informaţii vehiculate în cazul unor modificări de
stare ale procesului în diferite puncte, modificări care sunt
preluate şi transmise de mai multe RTU.
Nivelul perturbaţiilor electromagnetice din staţiile de
transformare şi necesitatea imunizării comunicaţiei la aceste
zgomote.
Cerinţele concrete la care trebuie să răspundă comunicaţia din interiorul
unei staţii de transformare, depind în mare măsură de nivelul de integrare al
echipamentelor secundare.
Dacă acestea sunt folosite numai pentru funcţiuni SCADA, se consideră
suficiente mediile de transmisie clasice, cu cabluri coaxiale sau cu fire torsadate.
Dacă însă, acestea realizează şi funcţii de protecţii şi de automatizări, se
impune un suport de transmisie mult mai performant, şi anume cablu cu fibră
optică.
Comunicaţia la distanţă
Pentru ca informaţiile din staţiile de transformare să fie disponibile în
centrele de comandă de la dispeceri, şi pentru a transmite comenzi de la acestea
către echipamentele din staţii este nevoie de o legătură de date între staţia de
transformare şi punctul de comandă.
În cadrul sistemelor SCADA această legătură este relativ scumpă şi
pretenţioasă fiind dependentă de infrastructura de telecomunicaţii existentă în
zona respectivă.
Suportul fizic utilizat este de regulă închiriat de la companiile de
telecomunicaţii care permit în general viteze de transmisie limitate la maximum
1200 – 28800 bps.
11
Din punct de vedere al suportului de transmisie, distingem următoarele
cazuri:
Legături dedicate prin linii telefonice,
Legături radio. Legătura radio poate constitui o rezervă pentru
legăturile prin linii telefonice.
Legătură prin fibră optică. Transmisia prin fibră optică este o
soluţie care asigură performanţe deosebite atât va viteză de
transfer cât şi ca siguranţă şi fiabilitate.
Comunicaţia la nivelul centrului de comandă
Comunicaţia la nivelul centrului de comandă are rolul de a interconecta
calculatoarele care compun punctul central de comandă – control.
Se formează astfel reţele de calculatoare (LAN – Local Area Networks)
ce asigură viteze de transfer de ordinul 10 – 100 Mbps.
Mediile fizice de transmisie utilizate sunt cablul coaxial şi fibra optică.
1
ECHIPAMENTE TERMINALE DE CONDUCERE ŞI ACHIZIŢII DE DATE de tip RTU
1. Introducere
În cadrul sistemelor SCADA, la nivelul inferior, în contact direct cu
instalaţiile primare conduse, se găsesc calculatoare de proces (denumite RTU),
prevăzute cu module de intrări numerice şi analogice, interfeţe de comunicaţii
de date care îndeplinesc funcţii specifice achiziţiei şi transferului de date,
elaborării unor comenzi imediate, etc.
RTU –urile sunt echipamente inteligente, realizate cu sisteme bazate pe
microprocesoare, microcontrolere sau DSP – uri (procesoare digitale de semnal),
Funcţiile de bază ale RTU constau în principal în:
- prelevarea informaţiilor din proces,
- elaborarea şi transmiterea comenzilor către elementele de execuţie,
- transferul serial de informaţii cu sistemul de conducere imediat
superior sau cu alte echipamente inteligente de la nivelul său,
- autotestarea componentelor hard şi soft şi a sistemului de transmisii
de date.
În prezent există un număr mare de tipuri de RTU-uri determinat de
extinderea aplicaţiilor SCADA: ECAROM 881, SPOT 83, MADS, ABB
SPIDER 200, ACE 28S, PC – industrial, etc.
Cerinţele care se impun RTU-urilor din staţiile electrice sunt în principal
următoarele:
- să aibă o construcţie modulară, astfel încât să permită o dezvoltare
ulterioară a instalaţiilor sau amplificarea volumului de informaţii fără
a fi necesară înlocuirea RTU-ului;
- să permită achiziţionarea unui volum mare de informaţii care să
descrie complet starea instalaţiei conduse şi să poată permite
detectarea anomaliilor în informaţiile transmise;
- să fie prevăzut cu echipammente şi programe de autotestare şi de
semnalizare a stării anormale de funcţionare;
- să conţină o interfaţă cu utilizatorul care să-i permită acestuia
verificarea facilă a stării modulelor componente, actualizării
programelor, setarea parametrilor, etc.
2
2. Structura şi organizarea generală a unui RTU
Având în vedere funcţiile de bază şi cerinţele pe care trebuie să le
îndeplinească un RTU, aflat de obicei pe poziţie de slave al sistemului de
conducere, acesta trebuie să conţină următoarele componente de bază:
- unitatea centrală de calcul (UC), reprezentată de un sistem cu
microprocesor;
- interfaţa de comunicaţii seriale, pentru transferul de informaţii cu
sistemul de calcul master, sau cu alte echipamente inteligente locale;
- interfaţa cu utilizatorul, pentru supraveghere şi configurare locală;
- sistemul de interfaţă cu procesul (SIP), constituit din ansamblu de
module de intrări şi ieşiri, pentru semnale analogice şi numerice din /
spre echipamentele primare, cum ar fi: modulul de intrări analogice
(AI), modulul de intrări numerice (DI), modulul de ieşiri analogice
(AO), modulul de ieşiri numerice (DO). Prin intermediul acestor
module, care constituie sistemul său de interfaţă cu procesul (SIP),
RTU – ul, se conectează la diverse surse de semnale şi elemente de
execuţie, aferente instalaţiilor primare conduse.
Interfaţa
utilizator UC
Prelucrarea datelor
Auto diagnoza
Interfata de
comunicatii
Elaborare comenzi
Module
AI
Module DI
Magistrala interna de date adrese
si comenzi
Module
AO Module
DO
Consola locala
Trafo de masura
de curent si tens.
Traductoare
Impulsuri Contacte de la
-Intrerupătoare
-Separatoare
-Relee
-Disp. automat
Regulatoare
automate
inregistratoare
Relee intermediare
-Intrerupatoare
-Separatoare
-Ploturi prize
Spre SCC Spre echip. inteligente
Fig. 11. Componentele şi funcţiile de bază ale unui RTU
3
3. Unitatea centrală (UC). Magistrala de sistem
Unitatea centrală (UC) a unui RTU este practic un sistem/μP care
prelucrează informaţiile primite din proces în timp real, şi transmite informaţii şi
comenzi către celelalte componente ale sistemului.
În structura sa pot fi distinse elementele specifice ale unui sistem/ μP:
- Unitatea Centrală de Prelucrare (UCP);
- Blocurile de memorie şi
- Modulul de Intrări/ Ieşiri (I/O), interconectate prin magistralele de
date, adresare şi comenzi (fig.12).
În mod obişnuit UC se realizează fizic pe o singură placă de circuit
imprimat, denumită placă controler, deoarece conţine elemente specifice unui
microcontroler, şi anume: μP, memorie internă, porturi de interfaţare. Pentru a
mări posibilităţile de adaptare (flexibilitate) ale UC, aceasta poate fi realizată cu
două sau mai multe plăci, conform schemei de principiu din fig.12, în care UC
constă în două plăci, placa controler şi placa de memorie extinsă. Fiecare placă
este organizată în jurul unei magistrale locale (de adrese, date şi comenzi),
similare cu magistrala de sistem.
Interconexiunea celor două magistrale, locală şi de sistem, se face prin
intermediul unei interfeţe de magistrală.
Microprocesor Memorie
locală
I/O
local
Magistrală locală
Periferice locale
Placa controler
Modul
memorie
Modul
memorie ….
Placă memorie externă
Interfaţă de
magistrală
Interfaţă de
magistrală
Magistrala de sistem Date
Adrese
Comenzi
Sursa de
alimentare
Fig. 12 Schema de principiu a UC (sistem cu microprocesor)
4
Unitatea Centrală de Prelucrare (UCP) reprezintă elementul principal
din structura UC a oricărui calculator. În cazul microcalculatoarelor, UCP-urile,
notate şi CPU (Central Proccesing Unit), sunt reprezentate de microprocesoare
μP.
Performanţele şi caracteristicile acestora sunt determinate, în primul rând
de nivelul la care se află CP în structura sistemului de conducere şi de cerinţele
impuse de procesul condus. În general, în structura sistemelor de conducere de
la nivelele inferioare, se consideră acceptabile μP din generaţia a II (de 8 biţi),
acestea având performanţe satisfăcătoare în acest context, şi în plus, sunt
accesibile la preţuri reduse.
La nivelul superior de conducere, sau pentru microcalculatoare situate la
nivele intermediare, cu funcţii de concentratoare de date, se impun μP cu viteze
de lucru mai ridicate şi capabile să acceseze un volum mai mare (decât 64 kO)
de memorie. Se utilizează în aceste situaţii, de obicei μP din generaţia a III-a, pe
16 sau 32 biţi.
Blocul de memorie (memoria UC), este constituit din module de
memorie de tip RAM şi ROM. Programul care guvernează activitatea UC se
înscrie, de obicei, în memoria sa de tip ROM (nevolatilă).
În cazul CP-urilor şi în mod deosebit al celor de la nivelele inferioare de
conducere, de tip RTU, prezintă câteva particularităţi, şi anume:
a) volumul memoriei RAM este, în gneral mai mic decât cel al memoriei
de tip ROM, folosit şi pentru păstrarea, nevolatilă a programelor de aplicaţie;
b) Volumul total al memoriei (RAM + ROM) este de obicei, mult mai mic
decât capacitatea de adresare a μP-lui;
c) memoria de tip ROM se realizează, de obicei, cu circuite de tip
EPROM (Erasable Programmabile ROM) sau EEPROM (Electrical Erasable
PROM) pentru a permite rescrierea facilă a programelor de aplicaţii;
d) pentru blocul RAM se utilizează, în general, circuite de tip SRAM
(Static RAM) care nu necesită reîmprospătarea conţinutului.
Modulul I/O al UC este reprezentat de ansamblul de circuite logice de
interfaţare cu perifericele generale ataşate calculatorului, cum ar fi: LED-uri;
display-uri 7 segmente, pentru afişarea stării sistemului, tastaturi şi butoane de
comandă, pentru introducerea datelor şi parametrilor de configurare ai
sistemului, periferice denumite locale în fig, 12.
5
In afară de modulul I/O ataşat UC a calculatorului prin care se interfaţează
perifericele absolut obligatorii ale unui RTU, acesta mai poate să conţină şi alte
module I/O pentru interfaţarea elementelor componente ale SIP-ului, CAN,
CNA, Multiplexoare, etc.
Interfaţa de comunicaţii
Comunicaţiile unui RTU cu sistemul de calcul master sau cu
concentratorul de date la care este ataşat, se realizează prin reţele de comunicaţii
seriale, conform unor standarde general acceptate pentru teletransmisiile de date.
Interfaţa de comunicaţii a unui RTU, ca şi a oricărui alt tip de calculator,
poate fi considerată ca o componentă a modulului I/O, prin faptul că asigură ca
şi orice transfer de date între MD a sistemului şi un set de periferice care
formează circuitul de date (fig. 13).
S
erver
de
com
unic
aţii
C
D s
au F
EP
MO
DEM
MO
DEM
......
μP+
memorie
+ etc.
Magistrala internă
Interfaţa de comunicaţi
i
......
μP+
memorie
+ etc.
Magistrala internă
Interfaţa de
comunicaţi
i
...................................................
RTU
Circuit de date
Ret
ea l
oca
lă d
ed d
ate
Fig. 13. Poziţia interfeţei de comunicaţii în cadrul unui sistem de conducere
1
SISTEMUL DE INTERFAŢĂ CU PROCESUL (SIP)
1. Rolul şi structura de principiu
1.1. Aspecte generale
SIP este componenta specifică a CP- urilor în general, şi în mod deosebit
CP- urilor situate la nivelul inferior de conducere în cazul RTU- urilor.
Este constituit din ansamblu de circuite şi echipamente, destinate
conversiei şi adaptării semnalelor vehiculate între proces şi CP, la forme şi
niveluri acceptabile acestora.
SIP face legătura dintre echipamentul primar (denumit proces) şi Unitatea
Centrală, a CP, având funcţii de conversie şi adaptare a informaţiei transferate
între CP şi proces.
SIP- ul este constituit din:
- modulele AI - destinate preluării, adaptării şi conversiei semnalelor
analogice,
- modulele NI - destinate preluării, adaptării şi conversiei semnalelor
numerice,
- modulele DO - destinate transmiterii comenzilor şi reglajelor;
- module AO destinate ieşirilor analogice.
Prin intermediul acestor module se face legătura între echipamentul
primar (denumit proces) şi Unitatea Centrală, (UC), a calculatorului de proces
reprezentat în acest caz de RTU, fig.1.
Practic, prin intermediul SIP- ului se preiau de la sursele de semnal
(traductoare, transformatoare de măsură, etc.), ataşate procesului, informaţiile
necesare supravegherii şi conducerii sale, şi eventual se transmit comenzi către
elementele de execuţie din proces.
1.2. Semnale utilizate în energetică. Scheme de conectare.
Cele mai frecvente tipuri de semnale electrice utilizate în energetică sunt
de două categorii: semnale analogice şi semnale numerice.
A. Semnalele analogice sunt semnale care pot avea o infinitate de valori.
Acestea se clasifică.
a) În funcţie de forma curentului:
- de curent continuu
2
- de curent alternativ;
b) În funcţie de impedanţa sursei de semnal:
- de tensiune – de nivel înalt: 220; 100; 57,7; 50 Vca; 48, 24 Vcc.
- de nivel mediu: ± 10; ± 5; ± 2,5; 0-5; 0-10; 0-20 Vcc.
- de curent - de curenţi mari: 0,5; 1; 5 A.
- de curenţi mici: ± 1mA; 2…10mA; 4…20mA;
. . . . .
B. Semnale numerice, sunt semnale cu valori discrete. Acestea pot fi:
- binare, care indică o stare din două posibile (poziţia unui
întrerupător sau separator, starea unui contact electric, a unui buton de
comandă, etc.) şi pot fi reprezentate prin cele două cifre binare 0 şi 1.
- codificate binar - constituite din secvenţe de semnale binare, ce
reprezintă numere, codificate binar, (ex. ieşirea unui CAN, sau intrarea unui
Unitatea centrală
(UC)
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
Magistrală de sistem
Modul
Intrări
Analogice
(AI)
Modul
Intrări
Numerice
(NI)
Modul
Ieşiri
Numerice
(NO)
Modul
Ieşiri
Analogice
(AO)
S I P
Traductoare,
Trafo de
măsură
Contacte electrice
Butoane de c-dă
Cont. cu gen.
impulsuri
Bobine de
ancl/decl.,
Contactoare
Regulatoare
Automate,
Înregistratoare
Surse de semnal Elemente de execuţie
Semnale
analogice
de
tensiune
şi curent
Semnale
numerice
binare, tren de
impulsuri
Comenzi
binare
Comenzi
analogice
Fig. 1. Structura şi poziţia relativă a SIP-ului în structura unui RTU
R
e
m
o
t
e
T
e
r
m
i
n
a
l
U
n
i
t
P
r
o
c
e
s
3
CNA). Acestea pot fi de 8, 10, 12, sau 16 biţi. Pot avea 2n valori discrete, n fiind
lungimea secvenţei binare ataşate semnalului respectiv.
1.3. Componentele de bază ale SIP
Pentru a permite transferul bidirecţional de semnale, SIP-ul trebuie să
conţină două componente (subsisteme) de bază:
A. Sistemul de Interfaţare al Intrărilor (SII),
B. Sistemul de Interfaţare al Ieşirilor (SIO).
SII preia informaţiile din proces, generate de Sursele de semnal ataşate
acestuia şi sub comanda UC, le oferă acesteia sub formă numerică, binar,
singura formă acceptată de UC.
Comenzile către proces, rezultate în urma prelucrării informaţiei primite
sunt transmise procesului (elementelor de execuţie) prin intermediul SIO, în
forma acceptată (impusă) de acesta.
SIP - conţine module pentru prelucrarea semnalelor analogice şi anume:
- module de intrări analogice (AI) şi
- module de ieşiri analogice (AO)
module pentru prelucrarea semnalelor numerice:
- module de intrări numerice (NI) şi
- module de ieşiri numerice (NO)
conform schemei de mai jos.
S I P
S I I S I O
AI NI AO NO
Semnale analog
de tens. şi curent Semnale numerice
Binare, tren imp.
Comenzi
analogice
Comenzi binare
şi secv. binare
4
1.4. Modulul de intrări analogice al SIP
1.4.1. Structura de principiu
Modulul de Intrări Analogice (AI) este destinat a prelua, prin linii de
conexiune (LC), de la sursele de semnal ataşate echipamentelor primare,
(traductoare, transformatoare de măsură, etc.,) semnale electrice analogice, pe
care le adaptează şi le converteşte în formă numerică, codificate binar, şi la
nivele acceptate de UC a RTU-ului.
Schema lanţului de măsură pentru intrările analogice este prezentată în
fig. 2.
Semnalele analogice (curenţi, tensiuni, puteri active, puteri reactive,
frecvenţe, etc.) pot fi preluate din proces în două moduri:
utilizând traductoare externe corespunzătoare, caz în care RTU trebuie să
aibă intrări analogice în semnal unificat;
curenţii şi tensiunile pot fi preluaţi direct de RTU prin interfeţe
corespunzătoare.
Transmisia valorilor intrărilor analogice către nivelul superior RTU-ului
se face în trei cazuri:
RTU este interogat de către nivelul ierarhic asupra valorilor
analogice;
Intrarea analogică îşi modifică valoarea, noua valoare fiind
diferită cu cel puţin o cantitate semnificativă faţă de valoarea
veche;
Adaptare
Multiplexare
≈
Filtrare hard
Esantionare-
memorare (S/H)
0100110
1
Conversie
Analog/numerica
≈
Filtrare soft
N
iX 1
1
Calcul valoare
Mărimi
analogice
Valoare
numerică Fig. 2 Schema de principiu a lanţului de măsură
5
Valoarea mărimii analogice depăşeşte nişte limite prestabilite, de
alarmare, sau limite tehnologice.
Un modul AI constă în mod obişnuit în două subsisteme distincte:
- Subsistemul de Achiziţii de Date (SAD) şi
- Subsistemul de Adaptare şi Condiţionare a semnalelor (SAC).
Plăcile ce conţin sistemul de achiziţii de date, SAD, cunoscute ca plăci de
achiziţii şi amplasate de obicei, în sloturile magistralei de sistem ale RTU-ului
respectiv, realizează conversia semnalelor analogice transmise de SAC în
semnale numerice, codificate binar. Aceste semnale numerice sunt transmise
apoi magistralei de sistem a RTU-ului prin modulul de interfaţă I/O din
componenţa sa.
-amplificatoare
-divizoare
-convertoare
curent, tens.
-optocuploare
-amplif. izolat.
-tranf. separat.
-sistem de
protecţie;
-filtre active
sau pasive
Linii şi borne Elemente de adaptare Elemente de separare Elemente de protecţie de conectare nivel semnal galvanică şi filtrare
Fig.3 Componentele de bază ale sistemului de adaptare şi condiţionare a
semnalelor
Spre
SAD
6
SAD trebuie să conţină în structura sa următoarele categorii de
echipamente, fig. 4.
A
A. Echipamente de Conversie Analog – Numerică (CAN), destinate
conversiei mărimilor analogice, de natură electrică în secvenţe binare. Acestea
constituie componentele de bază ale oricărui modul IA, care determină practic,
performanţele sale: precizie, cadenţă de achiziţie a datelor, rezoluţie, etc.
B. Circuite de Eşantionare şi Memorare, (CEM), cu rol de a asigura la
intrarea CAN-ului, menţinerea semnalelor preluate din proces la un nivel cât mai
constant, pe toată durata conversiei. Ele pot lipsi din structura SAD dacă în
timpul conversiei analog numerice semnalul se modifică puţin şi nu se impun
pretenţii deosebite privind precizia rezultatelor.
C. Elemente de multiplexare (MUX), destinate separării în timp a
semnalelor de intrare, ceea ce asigură preluarea, la un moment dat, a unui singur
semnal analogic şi în consecinţă, fiind suficiente câte un singur CAN,
(componenta cea mai scumpă) şi CEM, pentru mai multe surse de semnale
analogice.
D. Amplificatoare de instrumentaţie (A), destinate adaptării impedanţei de
intrare a sistemului cu cea a sursei de semnal şi eventual, aducerii semnalului
prelevat la nivelul impus de celelalte elemente din aval ale SAD. În multe cazuri
se întâlnesc amplificatoare ce permit comutarea, prin program a factorului de
amplificare.
M
U
X
Se
l
A CEM
CAN
I/O
AC
AC
AC
Memo
FIFO DMA
µP
M
S
S
AI UC a CP
Fig. 4 Schema bloc a unui modul AI
A
7
E. Interfaţa I/O face legătura între SAD şi UC. Este un modul I/O ce
conţine circuite de interfaţare uzuale (PIO, CTC, I8212, I8216), decodificatoare
de adrese, regiştrii tampon cu sau fără memorare, etc. prin care se transferă
datele şi comenzile între UC şi SAD.
F. Elemente de adaptare şi condiţionare (AC) a semnalelor, destinate
adaptării nivelelor semnalelor preluate la cerinţele impuse de componentele
sistemului, filtrării semnalelor, separării galvanice de instalaţiile primare.
Unele SAD, pot conţine şi alte componente cum ar fi: Memorie FIFO,
Dispozitive DMA. Memoria FIFO este un modul de memorie tampon de tip
RAM, organizată conform regulei FIFO (First In First Out).
1.5. Module de intrări numerice (NI)
1.5.1. Schema de principiu
Instalaţiile energetice complexe, cum ar fi: staţiile electrice, centralele
electrice, etc. necesită citirea unui mare număr de semnale care prezintă doar
două stări discrete, denumite în continuare, semnale binare, mărimi numerice
binare, sau pe scurt, (tele)semnalizări.
Volumul de informaţii pentru un dispecer energetic se apreciază la:
- 5000 – 9000 de semnalizări şi
- 1200 – 2000 telecomenzi.
Pentru supravegherea cu CP a funcţionării unui grup termoenergetic de
330 MW necesită cca. 720 semnale binare, iar unul de 50 MW, cca. 300 semnale
binare.
În fig. 4 se prezintă schema de conectare a telesemnalizării stării unui
întrerupător, prin intermediul unui contact secundar, CSA (contact secundar
auxiliar al întrerupătorului), ce alimentează bobina unui releu intermediar de
semnalizări, RIS, din interfaţa de relee.
8
Rezistenţa R şi dioda Zener, DZ, constituie elementele de protecţie, iar
optocuplorul OC, asigură izolarea galvanică.
Funcţiile modulului NI constau în preluarea din proces a semnalelor
numerice, de a le filtra şi adapta cerinţelor impuse de UC şi de a le împacheta în
cuvinte de 8 sau 16 biţi pentru a fi transmise spre memoria sa internă prin
magistrala de date.
Structura unui modul IN, fig. 5, conţine în mod obişnuit următoarele
componente de bază:
Elemente de tratare primară (ETP) a semnalelor, destinate condiţionării
şi filtrării semnalelor preluate şi totodată de izolare galvanică a modulului IN de
echipamentele primare.
Ca elemente de tratare primară - Optocuploarele electronice (OC)
CSA
M
O
D
U
L
N
I
OC
+ Ucc
C
R
DZ
RIS
+ Ucc
-
- -
Fig. 4 Schema electrică de principiu pentru telesemnalizarea stării unui
întrerupător (separator)
EJ1
EJ2
ETP
ETP
EJn ETP
I0
I1
In-1
MX
Bloc de memorare
şi împachetare
Interfaţa
cu UC
Vcc
LC
SINI
Fig. 5 Schema bloc de principiu a unui modul NI
9
Circuite de multiplexare (MX) numerice pentru separarea în timp a
semnalelor binare în vederea preluării succesive a unui număr mare de semnale
de către un singur modul de intrări numerice.
Bloc de memorare şi „împachetare”, destinat împachetării şi reţinerii
informaţiei în cuvinte de lungime dată (de obicei octeţi) până la preluarea sa de
către UC a CP.
Interfaţa cu UC, este un modul de I/O similar cu cel descris anterior
(pentru modulul AI). Acesta conţine regiştrii port pentru transferul datelor,
comenzilor şi stărilor, inclusiv a semnalelor pentru selectarea canalelor de la
intrarea multiplexorului.
1.5.2. Scheme constructive de interfaţare a intrărilor numerice
Pe lângă schema de interfaţare cu multiplexare numerică a intrărilor
binare, fig. 5, prezentăm în continuare, încă două scheme constructive de
module de NI şi anume: schema sistemului de intrări numerice cu conectare
directă; schema cu conectare în matrice a contactelor supravegheate
A. Schema modulului NI cu conectare directă
Schema directă de conectare a contactelor electrice (CE), fig.6, este
schema cea mai simplă.
....
......
Acest tip de schemă de conectare necesită N+1 fire de conexiune şi N
intrări ale portului (porturilor) de intrare. Reducerea numărului necesar de intrări
ale portului de intrare din modulul I/O se poate realiza prin scheme care
utilizează multiplexarea semnalelor de intrare, conform schemei de principiu din
fig. 5.
C1
+5V
GND
R R R C2 Cn
Spre
port
de
intrare
Modul NI
Fig.6. Schema de conectare directă a N contacte electrice Normal Deschise
10
B. Schema cu conectarea în matrice a contactelor electrice
supravegheate.
Schema permite reducerea numărului firelor de legătură. Astfel, de
exemplu, se pot conecta cu un singur circuit de interfaţă programabil, PIO (ce
are două porturi paralele de câte 8 biţi) până la 64 contacte electrice, organizate
într-o matrice 8 x 8, utilizând doar 8 + 8 + 1 = 17 fire de legătură. Deci cu l + c
+ 1 linii de conexiune este posibilă supravegherea a l x c contacte electrice.
Liniile L1...Ll ale matricei se conectează la un port de ieşire, cu elemente
de memorare, iar coloanele sale, C1... Cc, la un port de intrare.
2. SURSE DE SEMNALE (TRADUCTOARE) UTILIZATE ÎN
ENERGETICĂ
2.1. Aspecte generale
Un traductor este constituit, în general, din două componente principale
(fig.1):
- detectorul (D) sau elementul sensibil, care transformă mărimea de
intrare într-o mărime intermediară, z, acceptată de cea de-a doua componentă a
traductorului, adaptorul;
P
O
L1
P
I
Modul
I/O
UC
R R R
L2
Ln
C1
C2
Cn
+5V
Fig.7. Schema de conectare în matrice a l x c contacte
electrice
11
- adaptorul (A) sau convertorul de ieşire, care transformă mărimea
intermediară z, în mărime de ieşire, y, în exclusivitate semnal electric de
tensiune sau de curent, ce poate fi preluat de SIP.
2.2.Caracteristicile principale ale unui traductor
Prezintă interes pentru un traductor, caracteristicile statice şi dinamice ale
acestora, pe baza cărora se pot defini principalii parametrii ce caracterizează
funcţionarea unui traductor.
A.Caracteristica statică (CS), reprezintă dependenţa mărimii de ieşire y
în funcţie de mărimea de intrare x, în regim staţionar, în care variaţiile mărimii
de intrare pot fi urmărite fidel de mărimea de ieşire. Matematic aceasta poate fi
exprimată prin funcţia:
y = f (x)
Această caracteristică poate fi:
- liniară, (fig. 2a), dacă f (x) este ecuaţia unei drepte: baxy .
- neliniară, în care caz poate fi: univocă, (fig. 2b), sau neunivocă
(histerezis), (fig. 2c).
În ultimul caz, valoarea de ieşire y, depinde nu numai de valoarea
semnalului x ci şi de sensul său de variaţie. Este cazul releelor intermediare
utilizate ca surse de semnale binare.
x
y
x
y
y
x
yl
ynl
x0
a) b) c)
Fig. 2 Caracteristici statice: a) liniară; b) neliniară univocă; c) neliniară neunivocă
Element sensibil
(Detector)
Convertor de ieşire
(Adaptor)
Intrare
x
Ieşire
y
TRADUCTOR
Semnal
electric
P,Q,I,U
f, etc
Fig. 1. Structura de principiu a unui traductor
12
CS neliniară se reprezintă prin funcţii algebrice neliniare dacă acest lucru
este posibil. În cele mai multe situaţii acest lucru este imposibil, soluţia practică
constând în reprezentarea CS neliniare fie sub formă tabelară fie sub formă de
funcţii algebrice.
Pe baza CS se pot defini următoarele caracteristici ale unui traductor:
Gradul de neliniaritate;
Domeniul de măsură;
Sensibilitatea;
Pragul de sensibilitate.
a. Gradul de neliniaritate;
În practică toate CS sunt caracteristici neliniare ce pot prezenta însă un
grad mai mic sau mai mare de neliniaritate. Gradul de neliniaritate, Gn, se
apreciază prin abaterea mărimii de ieşire reale, neliniare, ynl, faţă de valoarea sa
liniarizată, yl, considerată pentru o anumită valoare a intrării, x0:
100%
l
nlln
y
yyG pentru x = x0
Gradul de neliniaritate este dependent de punctul de pe caracteristică,
motiv pentru care se impune precizarea punctului sau domeniului la care se
referă.
b. Domeniul de măsură, este definit prin diferenţa dintre valorile
admisibile maxime şi minime ale mărimilor de intrare şi de ieşire:
;; minmaxminmax YYYXXX
c. Sensibilitatea este definită ca variaţia mărimii de ieşire la modificarea
cu o unitate a mărimii de intrare. În acest sens se pot defini următoarele tipuri de
sensibilităţi:
- Sensibiliate medie: XYSm
- Sensibilitate diferenţială: 0xxd dxdyS definită pentru un
anumit punct de funcţionare: x = x0.
d. Pragul de sensibilitate, Ps, reprezintă limita inferioară de variaţie a
mărimii de intrare, x , sesizată de traductor, (care produce o modificare
sesizabilă a ieşirii), cu un anumit grad de certitudine. Pragul de sensibilitate al
unui traductor este determinat de:
- rezoluţia echipamentului de conversie, în cazul traductoarelor numerice;
- frecările statice, în cazul traductoarelor ce conţin dispozitive mecanice;
- fluctuaţiile datorate perturbaţiilor interne şi externe (zgomote) în
circuitele electrice.
13
Pe baza pragului de sensibilitate se defineşte Rezoluţia traductorului, ca
fiind raportul dintre Pragul de sensibilitate şi Domeniul de măsură:
Rezoluţia = xPs
şi reprezintă, de fapt pragul relativ de sensibilitate.
B. Caracteristica dinamică (CD) reprezintă dependenţa mărimii de ieşire
y în funcţie de mărimea de intrare x, în regimuri dinamice, adică regimuri în
care viteza de variaţie a mărimii de intrare trebuie luată în considerare. Forma de
reprezentare matematică, o constituie o ecuaţie diferenţială:
0,,....,,,,....,, '''''' tyyyyxxxxf nm
unde ,....,,, '''''' yxyx sunt derivatele de ordinul 1, 2, .... ale variabilelor x şi y în
raport cu timpul.
Caracteristica dinamică exprimă practic, fidelitatea cu care mărimea de
ieşire y, urmăreşte variabilele mărimii de intrare x. Acest lucru poate fi
evidenţiat printr-un exemplu simplu, în care vom considera un traductor având
CS de forma:
xky st
şi CD reprezentată de o ecuaţie diferenţială de ordinul I (cel mai simplu caz
posibil):
xkydt
dyT
unde T este constanta de timp a traductorului.
Răspunsul traductorului la o modificare treaptă (rapidă) a mărimii de
intrare x, va urmări această modificare cu o anumită întârziere, determinată de
valoarea constantei de timp T, conform diagramelor alăturate, fig.3.
x
y
yst
t
t
T
Fig. 3. Răspunsul traductorului la un
semnal treaptă
14
Considerarea unui traductor prin CD înseamnă exprimarea ieşirii y, nu
numai în funcţie de intrarea x, ci şi în funcţie de timp. Astfel, integrând ecuaţia
de mai sus se obţine răspunsul y, al traductorului la acest tip de perturbaţie, de
forma:
TtTtst exkeyy 11
Astfel se explică utilizarea unor traductoare ca filtre pentru zgomotele de
frecvenţă ridicată suprapusă peste semnalele de intrare, x, dacă parametrii săi
interni, constantele de timp, sunt astfel aleşi încât aceste semnale să nu se
regăsească în mărimea de ieşire y.
2.3. Clasificarea traductoarelor
Criterii de clasificare
A. După natura mărimii de intrare
a. Traductoare pentru mărimi electrice: curent, tensiune, putere,
frecvenţă, etc.
b. Traductoare pentru mărimi neelectrice: presiune, temperatură,
deplasare, forţă, etc.
B. După forma semnalului de ieşire:
a. Traductoare analogice – care au ca ieşire un semnal analogic:
b. Traductoare numerice – care au ca ieşire semnal binar, codificat binar
sau zecimal sau tren de impulsuri.
C. După principiul de funcţionare, traductoarele analogice se împart în:
a. Traductoare parametrice – care au ca ieşire a detectorului,
modificarea unui parametru (R, L, sau C) al unui element de circuit
electric. În funcţie de parametrul modificabil, pot fi traductoare:
rezistive, inductive sau capacitive. Acest tip de detector necesită
întotdeauna sursă de alimentare externă.
b. Traductoare generatoare (energetice) – au ca ieşire o t.e.m. ce poate fi
de natură: termoelectrică, fotoelectrică, piezoelectrică sau
electromagnetică.
15
D. În funcţie de forma semnalului de ieşire, traductoarele analogice pot
fi:
a. Traductoare de semnal continuu;
b. Traductoare de semnal alternativ;
E. În funcţie de impedanţa internă a sursei de semnal de ieşire, avem:
a. Traductoare cu semnal de ieşire în curent;
b. Traductoare cu semnal de ieşire în tensiune;
F. Traductoare complexe - capabile să efectueze şi o prelucrare a
informaţiilor primite. Din această categorie fac parte traductoarele electronice şi
traductoarele inteligente.
2.4. Categorii de traductoare utilizate în energetică
Dintre traductoarele utilizate în energetică putem aminti:
1.Traductoare rezistive,
- traductoare reostatice,
- traductoare termorezistive,
- traductoare tensiometrice,
2.Traductoare termoelectrice,
3.Traducoare electronice de semnal standard,
4. Contoare cu generatoare de impulsuri
5. Contoare de frecvenţă,
6. Traductoare inteligente.
2.4.1. Traductoare electronice de semnal standard
Traductoarele electronice de semnal standard sunt dispozitive electronice
care furnizează la ieşire, semnale electrice standard (unificate), de tensiune sau
curent continuu, ca funcţii liniare de valorile unor mărimi caracteristice
nodurilor de reţea, cum ar fi: curentul, I; tensiunea U; puterea activă şi reactivă
P, Q; frecvenţa f; factorul de putere, cos φ, etc. Mărimile de intrare ale
traductoarelor electronice sunt: tensiunea, sau/şi curentul din circuitul primar,
preluate direct sau prin intermediul transformatoarelor de măsură de curent
sau/şi tensiune.
16
Tabel
Nr.
crt.
Mărimea
Primară
U.M Domeniul de
măsură
Simbol Ieşiri
1 Curent A 0,5; 1; 5. TIA-79 1 -5
2 -10
4 -20
mA 2 Tensiune V 50; 57,7; 100; 220;
380.
TUA-79
3 Putere monofazată W Combinaţii ale
domeniilor de tens.
şi curent
TPM-79 0 -10
0 -20
±5, ±10
0 -5
V 4 Putere activă trifazată W TPT-79
5 Putere reactivă trifazată VAr TQT-79
1 2
7
Ir GND
Ua Iesire
R
S
T
N
11 12 13 14
220V + -
TIA - 79
Fig. 4a. Schema de conectare a traductorului TIA - 79
7
GND
Ur N Ua Iesire
R
S
T
N
8 9 11 12 13 14
220V + -
TUA - 79
Fig. 4b. Schema de conectare a traductorului TUA - 79
17
Ie (Ue)
Ii (Ui)
20mA
4mA
5A (100V)
Fig. 4c. Caracteristica de transfer a unui traductor
de curent (tensiune)
1 2 5 6
7
Ir Is It GND
Ur Us Ut Ua Iesire
R S
T
N
8 9 10 11 12 13 14
220V + -
2TPT - 79
Fig. 4d. Schema de conectare a traductorului 2TPT - 79
Fig. 4e. Caracteristica de transfer a unui
traductor de putere activă (reactivă)
10mA
-10mA
P(Q)
-P(Q)
18
Semnalele electrice furnizate la ieşire sunt proporţionale cu mărimile
electrice primare U, I, P, Q, f, sau cos φ, în funcţie de tipul traductorului (tabel).
Tabelul reprezintă tipurile şi domeniile de măsură uzuale ale
traductoarelor electronice de fabricaţie românească (IAEM Timişoara).
2.4.2. Contoare cu generatoare de impulsuri
Contorul cu generator de impulsuri este un dispozitiv uzual în sistemele
informaţionale, destinat şi înregistrării energiei electrice şi a puterii medii pe
diverse intervale de timp. Este constituit dintr-un contor de energie electrică
obişnuit la care se ataşează un traductor de turaţie (TT) şi un generator de
impulsuri (GI). Această structură, în care elementul de bază îl constituie
contorul de energie electrică, a făcut ca acest tip de traductor să cunoască o mare
extindere.
Traductorul de turaţie, TT, ce poate fi de tip inductiv sau optic, sesizează
trecerile printre polii săi a unor semne aplicate pe discul contorului (plăcuţe
feromagnetice, orificii, suprafeţe reflectorizante, etc) şi transmite în acest
moment GI-ului comanda de generare a unui impuls, obţinându-se, astfel un tren
de impulsuri a căror frecvenţă este proporţională cu viteza de rotaţie a discului.
1
3. Circuite de eşantionare şi de memorare (CEM – S&H)
TEOREMA EŞANTIONĂRII
Eşantionarea semnalelor este un proces util în unele sisteme de prelucrare
a informaţiei. El constă în reprezentarea semnalului printr-o suită de valori
discrete, echidistante sau distribuite neuniform pe axa timpului. În cele ce
urmează se va avea în vedere eşantionarea uniformă.
Teorema eşantionării
Intuitiv se recunoaşte că aceloraşi eşantioane le corespund, în general, mai
multe semnale continue; în fig. 1 este dată o suită de eşantioane căreia îi
corespund două sau mai multe semnale continue.
Dacă intervalul Δt dintre eşantioane se micşorează, se găseşte din ce în ce
mai greu un al doilea semnal care să accepte aceeaşi reprezentare eşantionată; în
orice caz, la limita 0t , legătura dintre semnalul continuu şi eşantioanele
sale este biunivocă. Se arată că în cazul semnalelor de bandă finită,
corespondenţa semnal-eşantioane este unică în ambele sensuri dacă perioada de
eşantionare este suficient de mică dar nenulă.
cicluesantioanet
lafundamentaPerioadaeesantionardeRata /
Exemplu: Δt = 1.0 ms
Perioada fund. = 20.0 ms (f = 50 Hz);
Rata de eşantionare = 20 eşantioane.
Teorema eşantionării stabileşte că:
02
1
ft
Δt
Semnal 1 Semnal 2
t
Fig. 1. Suită de eşantioane şi
două semnale continue cu
aceeaşi suită de eşantioane
2
Schematic, eşantionarea semnalului x(t) este realizabilă cu un întreruptor
rotativ a cărui perioadă de rotaţie este egală cu perioada de eşantionare Δt
(fig.2,a); când întreruptorul este închis, se obţine la borna de ieşire 2 un eşantion
al semnalului. Suita de eşantioane este notată txT ;
O altă reprezentare a eşantionatorului este arătată în fig. 2,b: un circuit de
înmulţire primeşte la intrările sale semnalul x(t) şi o succesiune periodică tT
de impulsuri dreptunghiulare, foarte scurte şi de amplitudine unitară.
În figura 3, sunt arătate semnalul, succesiunea tT , şi rezultatul
înmulţirii, ttx T . Se poate afirma că această a doua reprezentare coincide cu
prima deoarece circuitul de înmulţire acţionează ca un întreruptor închis numai
pe durata impulsurilor dreptughiulare.
T
x(t) xT(t) 1 2
x x(t) xT(t)
δT(t)
1 2
3 a) b)
Fig. 2. Sisteme de eşantionare: a – cu întreruptor rotativ;
b – cu circuit de înmulţire
T T T T
ε
T T T T
ε
x(t)
t
δT(t)
xT(t)
t
t
1
a)
b)
c)
Fig. 3 Semnalul continuu (a), succesiunea
periodică de impulsuri de durată scurtă (b)
şi semnalul eşantionat ttxx TT
3
3. Circuite de eşantionare şi de memorare (CEM – S&H)
3.1. Principiul de funcţionare
Conversiei analog – numerică durează un timp, funcţie de caracteristicile
convertorului A/N folosit.
Semnalul de la intrarea sa, se preferă să fie cât mai constant.
Circuitul de eşantionare şi memorare este un dispozitiv la intrarea căruia
se aplică un semnalul analogic primar Ui, iar la ieşire se obţine semnalul
corespunzător, Ue, eşantionat, şi cu o intrare de control S/H.(principiul de
funcţionare – fig. 4b)
Circuitele de eşantionare şi memorare sunt constituite:
- comutator K, cu două poziţii (închis/deschis),
- condensator de memorare Cm, .
Încărcarea/descărcarea Cm se va face cu o constantă de timp, T
dependentă de capacitatea şi rezistenţele din circuit:
T = (R0 + Rki) C
Unde: R0 - reprezintă rezistenţa sursei de semnal,
Rki - rezistenţa, în stare închis, a comutatorului K.
În consecinţă, în funcţionarea circuitului de eşantionare şi memorare
(S&H) se disting două regimuri:
- eşantionare (urmărire) cu K închis, în care are loc încărcarea
condensatorului Cm la o valoare apropiată de tensiunea Ui.
Practic se prelevează o valoare (un eşantion) a semnalului
analogic de intrare, Ui.
- memorare (reţinere), cu K deschis precizat printr-o comandă
externă S/H, cînd tensiunea prelevată anterior este păstrată cât
mai constantă la bornele condensatorului de memorare.
4
Intrarea de comandă S/H permite comutarea regimurilor de lucru: S/H
=HIGH – eşantionare (Sample), S/H = LOW – memorare (Hold).
3.1.1. Schema practică
O astfel de schemă, (fig. 4.d), conţine:
- amplificator operaţional de intrare, A1, cu rezistenţă internă de ieşire
mică, pentru a asigura o constantă de timp la încărcarea
condensatorului Cm cât mai mică,
- amplificator operaţional, A2, cu rezistenţă de intrare mare astfel încât
să se micşoreze pierderea de tensiune de la bornele condensatorului în
faza de memorare. Coeficienţii de amplificare sunt de obicei unitari,
deşi la A1 se poate adopta şi coeficienţi neunitari, pentru adaptarea
nivelului semnalului.
- comutatorul K, realizat practic cu un MOSFET (Tranzistor cu efect de
câmp MOS), se va închide (conduce) la aplicarea pe baza sa, borna
S/H, a unui potenţial pozitiv şi va fi deschis (blocat) în rest.
-
+ A1
U
i
-
+
A2
Ue
S/H C
m
K
d)
Fig. 4. Circuitul S&H: a)simbol: b) principiul de funcţionare:
c) schema de principiu: d) schema practică
SAMPLE
& HOLD
Ui Ue
S/H
a)
K
Cm
c)
Ui Ue
S/H
Sample
Hold
Sample
Hold
Sample
Hold
Intrare
Ieşire
S/H
b)
FUNCŢIILE SISTEMELOR INFORMATICE DE SUPRAVEGHERE ŞI CONDUCERE ALE REŢELELOR ELECTRICE DE DISTRIBUŢIE
1.Funcţiile sistemelor SCADA
1.1. Generalităţi
Sarcinile principale ale unui sistem SCADA destinat conducerii operative
a reţelelor electrice pot fi grupate în următoarele trei categorii:
a) Informare de ansamblu a dispecerului asupra topologiei şi stării
sistemului energetic condus, prin intermediul interfeţelor om – maşină (MMI,
Man –Machine Interface),
b) Alarmare în cazul producerii unor evenimente care trebuiesc luate în
considerare în mod imediat;
c)Informare pentru analize post avarie, prin reţinerea unui istoric de
evenimente produse într-o anumită perioadă de timp, însoţite de momentul
producerii lor.
Îndeplinirea acestor sarcini implică realizarea, de către sistemul SCADA a
următoarelor operaţiuni:
Culegere de informaţii asupra stării sistemului energetic, prin intermediul
interfeţelor de achiziţie corespunzătoare;
Transferul informaţiilor către punctele de comandă şi control;
Validarea, prelucrarea, afişarea, arhivarea datelor;
Elaborarea şi executarea de telecomenzi în instalaţii, ceea ce permite
operatorului să supravegheze funcţionarea instalaţiilor în timp real, să
decidă acţiunile care întreprinse şi să intervină de la distanţă dacă
consideră că este necesar.
Sistemele informatice de tip SCADA includ în principal următoarele funcţii:
Achiziţia şi teletransmisia datelor;
Prelucrarea primară a datelor;
Elaborarea telecomenzilor;
Alarmarea;
Înregistrarea secvenţelor de evenimente;
Înregistrarea instantanee de evenimente;
Revista postfactum;
Interfaţa cu utilizatorul;
Supravegherea stării sistemului informatic.
2
1.2. Achiziţia şi teletransmisia datelor
Funcţia de achiziţii şi transmisii de date asigură interfaţa între RTU-urile
sistemului şi restul calculatoarelor care constituie sistemul de conducere sau cu
alte sisteme SCADA.
Informaţiile obţinute de sistem de la RTU-urile sale, amplasate în staţiile
şi centralele electrice din zona sa includ:
Măsuri (puteri active şi reactive, de pe toate liniile, generatoare,
transformatoare, tensiuni pe barele colectoare, curenţi pe liniile electrice,
frecvenţa, etc.);
Stări (poziţii ale intrerupătoarelor, separatoarelor, sistemelor de
automatizare, etc.);
1.3. Prelucrarea primară a datelor
Funcţia de prelucrare primară a datelor asigură stocarea datelor în timp
real în bazele de date destinate ale echipamentelor de calcul.
Această funcţie cuprinde trei subfuncţii, corespunzătoare celor trei
categorii de date prelevate de RTU-uri:
- prelucrarea măsurilor achiziţionate;
- prelucrarea stărilor;
- prelucrarea valorilor acumulate;
Prelucrarea măsurilor constă în conversia datelor numerice primare, X,
(reprezentate de secvenţe binare, de 8, 16 biţi) în mărimi Y exprimate în unităţi
inginereşti (A, V, W, etc.) ce se efectuează cu relaţii liniare de forma:
baXY
unde a şi b sunt constante de conversie.
Prelucrarea stărilor, constă în actualizarea schemelor electrice, prin
ataşarea la simbolurile aparatajului de comutaţie sau de automatizare a stărilor
reale ale acestora.
Prelucrarea valorilor acumulate, constă în actualizarea contoarelor de
valori acumulate cum ar fi cel al numărului de impulsuri, de acţionări ale
contactelor electrice. Totodată, această funcţie realizează transformarea valorilor
acumulate în mărimi inginereşti (MWh, MVArh, etc.).
3
1.4. Elaborarea comenzilor
Sistemul SCADA permite dispecerilor, ca prin intermediul RTU-urilor
sale amplasate în staţii şi centrale electrice, să transmită comenzi către diverse
echipamente cum ar fi:
- întrerupătoare (închis/deschis);
- separatoare acţionate cu motor electric (închis/deschis);
- contactoare de alimentare a motoarelor electrice;
- baterii de condensatoare (conectat/deconectat);
- comutatoare de ploturi ale transformatoarelor
(creşte/descreşte);
- valori de consemn pentru echipamente de automatizare, reglare
şi protecţii;
- reglajul bobinelor de stingere.
Comenzile destinate dispozitivelor cu două stări (închis/deschis) sunt
comenzi de tipul SBO (Select – Before – Operate, selectează înainte de a
acţiona) pentru a evita acţionările greşite.
1.5. Alarmarea
Funcţia de alarmare este destinată avertizării operatorilor de producerea
unor evenimente care trebuie tratate în mod imediat.
Alarmele detectate de sistem sunt prelucrate astfel încât acestea să fie
prezentate dispecerului într-o manieră concisă, clară, în timp util şi numai
operatorilor care au nevoie de aceste informaţii.
Sistemul recunoaşte stările de funcţionare necorespunzătoare ale
echipamentelor şi reţelelor electrice (suprasarcini, nivele de tensiune în afara
limitelor, acţionarea sistemelor de protecţie, modificarea nedorită a stării
întrerupătoarelor şi separatoarelor, etc.) şi avertizează optic/acustic dispecerul
asupra celor întâmplate.
1.6. Înregistrarea instantanee de date
O înregistrare instantanee de date constă în citirea aproape instantanee a
unor puncte selectate de operator sau a întregii baze de date, şi apoi salvarea lor
pentru a fi arhivate mai târziu şi a fi utilizate în analize de reţea sau pe
simulatorul pentru pregătirea operatorilor.
Aceste înregistrări pot fi efectuate la cerere sau ca urmare a producerii
unor tipuri de evenimente preselectate.
4
1.7. Revista post mortem (postfactum)
În vederea analizei unor evenimente importante în reţeaua supravegheată,
cum ar fi perturbaţiile mari, la fiecare 10 secunde se stochează câte o citire
instantanee a punctelor selectate de dispecer sau a întregii baze de date într-un
fişier circular ce conţine ultimele înregistrări.
1.8. Interfaţa cu utilizatorii
Interfaţa cu utilizatorii constă în setul de echipamente prin care
informaţiile prelucrate de sistem sunt aduse la cunoştinţa dispecerilor şi prin
care aceştia pot transmite comenzi în proces sau pot solicita diverse informaţii.
Intefaţa cu utilizatorii se realizează prin:
- Console de afişare grafică,
- panouri de afişare,
- echipamente de imprimare,
- copiere video.
Funcţiile EMS şi DMS pentru reţelele electrice
Funcţiile EMS
Constituie extinderi ale funcţiunilor SCADA şi au o utilitate mai ales la
nivelul DEN.
Controlul producţiei de energie şi funcţiuni de planificare. În acest tip de
funcţiuni sunt cuprinse:
Reglaj frecvenţă – putere;
Monitorizarea costurilor de producţie
Monitorizarea rezervelor
Planificarea tranzacţiilor pe linie de interconexiuni;
Evaluarea schimburilor de energie pe termen scurt.
Aplicaţii legate de transportul energiei electrice. Acestea sunt gândite
pentru a asista operatorul şi personalul de planificare în asigurarea unei
funcţionări sigure şi economice ale sistemului energetic, incluzând
următoarele funcţii:
Analiza reţelei în timp real: prelucrarea topologiei, estimatorul de
stare;
Analiza senzitivităţii reţelei
Evaluarea consecinţelor unor evenimente,
Repartiţia tensiunilor
Analiza scurtcircuitelor.
5
Studii de analiză a reţelei
Calculul circulaţiilor de puteri,
Circulaţii de puteri optimale,
Analiza consecinţelor unor manevre planificate,
Planificarea repartiţiilor.
Simulatorul de instruire pentru dispeceri. Se realizează pentru formarea şi
antrenarea personalului. Un simulator constă în patru subsisteme şi
anume:
Modelul sistemului energetic care simulează matematic
comportarea sistemului inclusiv echipamentele de control;
Modelul centrului de comandă şi control;
Subsistemul educaţional, care constă în instrumente software la
dispoziţia instructorului pentru a crea situaţiile care îi folosesc în
cursul procesului de instruire;
Subsistemul de comunicaţie, care modelează comportarea
sistemului ce culegere a datelor.
Funcţiile DMS
În cadrul unui sistem de distribuţie a energiei electrice, repartiţia şi
geografică a instalaţiilor joacă un foarte important. Din acest motiv, tendinţa în
acest domeniu este de a utiliza o structură a bazei de date care să permită
adăugarea sau înlăturarea unor componente în mod intercativ, să aibă o structură
bazată pe repartiţia geografică şi să afişeze conectivitatea pe hărţile zonei
respective.
Funcţiile unui sistem de teleconducere a distribuţiei nu sunt standardizate.
Totuşi trebuie să existe componente importante cum ar fi:
Analiza conectivităţii. În mod obişnuit se folosesc scheme color pe care se
reprezintă aceste informaţii. Se reprezintă toate echipamentele de
distribuţie conectate la o plecare, toate plecările conectate la un
întrerupător într-o staţie, precum şi schema staţiei. Trebuie să fie posibilă
identificarea plecărilor adiacente.
Culegerea datelor.
Controlul automat al tensiunii şi puterii pe fiecare plecare. Se utilizează
pentru a păstra tensiunile între anumite limite, prin controlul direct asupra
ploturilor transformatoarelor şi prin conectarea/deconectarea bateriilor de
condensatoare.
Analiza conectărilor / deconectărilor.
Calculul circulaţiei de puteri.
Program de analiză a scurtcircuitelor.
Reducerea pierderilor.
6
2. Funcţiile de bază ale echipamentelor de achiziţii de date
şi comandă, de tip RTU
2.1. Generalităţi
Având în vedere poziţia echipamentelor terminale de achiziţii de date şi
comandă, de tip RTU în cadrul sistemelor SCADA, acestea trebuie să
îndeplinească următoarele funcţii de bază:
- să ofere centrului de comandă informaţiile necesare monitorizării
complete a instalaţiilor aferente,
- să transmită semnale de alarmare în cazul producerii unor evenimente
care trebuie luate în considerare imediat,
- să asigure elaborarea unor comenzi imediate, cum ar fi cele pentru
sistemul de protecţii,
- să stabilească valorile mărimilor de consemn pentru dispozitivele de
reglaj automat, etc.
Realizarea acestor sarcini implică considerarea următoarelor funcţii de bază,
ce trebuiesc implementate într-un RTU.
A. Prelucrarea datelor;
B. Elaborarea de comenzi pentru automatizări, reglaje, sau
protecţii;
C. Autotestarea.
2.2. Prelucrarea datelor
Funcţia de prelucrare a datelor constă în prelevarea informaţiilor din
proces, prelucrarea lor primară şi memorarea lor internă. Această funcţie se
efectuează prin scanarea punctelor de măsură, prelevarea de la sursele de semnal
numerice şi analogice.
În funcţie de modul de grupare al acestor semnale ele pot fi: semnale la
nivelul celulei; semnale pe grupuri de celule; semnale generale la nivelul staţiei.
7
2.2.1. Prelucrarea mărimilor numerice
Mărimile numerice sunt reprezentate în primul rând de mărimile binare,
denumite şi semnalizări, mărimi care indică starea unor contacte electrice de
semnalizare ataşate unor echipamente primare, cum ar fi: întrerupătoarele,
separatoarele, dispozitivele de automatizare, etc.
Tot în categoria mărimilor numerice se consideră şi semnalele
generatoarelor de impulsuri, destinate înregistrării unor mărimi integrale
(energii, etc.) reprezentate prin numere, denumite index-uri ataşate fiecărei surse
de astfel de semnal.
1. Principalele semnale dintr-o staţie de transformare
Într-o staţie de transformare întâlnim următoarele grupe de semnale
primare care trebuiesc considerate atunci când se doreşte conducerea de la
distanţă a procesului:
Semnalizări de poziţie (sau permanente) care sunt prelucrate în
momentul producerii stării echipamentului (atât în momentul
trecerii lor în “1” logic cât şi în momentul trecerii în “0” logic) iar
valoarea lor este reţinută în baza de date a sistemului. Dintre
acestea menţionăm:
- modificarea stării întrerupătoarelor şi separatoarelor;
- trecerea ploturilor prizelor transformatoarelor în poziţii
extreme;
- schimbarea poziţiilor sau stării dispozitivelor de
automatizare;
Semnalizări preventive, care reflectă starea echipamentelor (e.g.
defect întrerupător, defect circuite secundare, etc.) cu aducere la
cunoştinţa operatorului în maximum 30 sec.
Semnalizări de incident (de avarie), care avertizează dispecerul de
necesitatea luării unor măsuri imediate de remediere (acţionări de
protecţii şi automatizări) şi aducerea la cunoştinţa operatorului în
maximum 5 sec.
Comenzi;
Măsuri (tensiuni, curenţi, puteri, frecvenţă);
Contorizări (energie activă, energie reactivă);
Din punct de vedere al tipului şi formei semnalului, întâlnim:
Semnale numerice – semnale care reflectă stări discrete ale
elementelor de la care provin. Majoritatea semnalelor de acest tip
provin de la contacte electrice. Stările posibile sunt întotdeauna
8
complementare (închis/deschis, conectat/deconectat, adevărat/fals,
etc.);
Impulsuri pentru contorizare - un caz particular al semnalelor
numerice;
Semnale analogice (tensiuni alternative şi continue, curenţi
alternativi şi continui).
Din punct de vedere al localizării semnalelor, întâlnim:
Semnale grupate la nivelul celulei;
Semnale pe grupuri de celule;
Semnale generale pe staţie de transformare.
În cele ce urmează sunt prezentate semnalele pentru supravegherea şi
controlul unei staţii de transformare tipice de 110/20 kV.
Celulă de linie de 110 kV.
Semnalizări de poziţie: întrerupător (anclanşat/declanşat); separator
linie, separator bare (închis/deschis); cuţite de legare la pământ
(închis/deschis); poziţie automatizare RAR (pus în funcţie/scos din
funcţie);
Semnalizări de alarmă: defect întrerupător; presiune scăzută;
USOL MOP (Mecanism OleoPneumatic); ardere siguranţe de
comandă şi semnalizare; USOL transformator de tensiune (TT)
deconectat; lipsă tensiune protecţie de distanţă; demarat protecţie
de distanţă; funcţionat protecţie de distanţă; funcţionat protecţie
homopolară; funcţionat Protecţie Diferenţială de Linie (PDL);
funcţionat RAR;
Măsuri: tensiune linie; curent linie; putere activă şi reactivă;
Contorizări: energie activă şi reactivă;
Comenzi: anclanşare/declanşare întrerupător, închidere/deschidere
separatoare de linie,bare; punere în funcţie/scoatere din funcţie
RAR.
Celulă de cuplă 110 kV.
Semnalizări de poziţie: întrerupător (anclanşat/declanşat); separator
bare (închis/deschis); cuţite de legare la pământ (închis/deschis);
Semnalizări de alarmă: defect întrerupător; presiune scăzută MOP;
USOL MOP (Mecanism OleoPneumatic); ardere siguranţe de
comandă şi semnalizare; lipsă tensiune protecţie de distanţă;
demarat protecţie de distanţă; funcţionat protecţie de distanţă;
funcţionat protecţie homopolară; blocat declanşare cuplă;
Măsuri: putere activă şi reactivă, curent;
Comenzi: anclanşare/declanşare întrerupător, închidere/deschidere
separatoare de bare.
9
Celulă trafo 110/20 kV.
Semnalizări de poziţie: întrerupător 110 kV (anclanşat/declanşat);
separator bare 110 kV (închis/deschis); separator borne 110 kV
trafo (închis/deschis); cuţite de legare la pământ (închis/deschis);
întrerupător MT (anclanşat/declanşat); separator bare MT
(închis/deschis); separator borne MT trafo (închis/deschis); plot
maxim/minim;
Semnalizări de alarmă: defect întrerupător; presiune scăzută;
USOL MOP (Mecanism OleoPneumatic); ardere siguranţe de
comandă şi semnalizare; funcţionat protecţie de gaze; funcţionat
protecţie diferenţială; funcţionat protecţie maximală pe 110 kv;
funcţionat protecţie maximală pe 20 kV; funcţionat PRBMT;
semnalizare gaze; semnalizare suprasarcină; semnalizare
supratemperatură; nivel anormal ulei;
Măsuri: putere activă, reactivă;
Contorizări: energie activă şi reactivă;
Comenzi: anclanşare / declanşare întrerupător 110 kV; anclanşare /
declanşare întrerupător MT; închidere / deschidere separatoare bare
110 kV; închidere / deschidere separator borne 110 kV trafo;
închidere / deschidere separatoare bare MT; închidere/deschidere
separator borne MT trafo;
Celulă de linie MT şi cuplă MT
Semnalizări de poziţie: întrerupător (anclanşat/declanşat);
separatoare bare MT (închis / deschis); cuţite de legare la pământ
(închis / deschis); poziţie automatizare RAR (pus în funcţie / scos
din funcţie);
Semnalizări de alarmă: ardere siguranţe de comandă şi
semnalizare; funcţionat protecţie maximală rapidă; funcţionat
protecţie maximală temporizată; funcţionat RAR; bocat declanşare
cuplă;
Măsuri: putere activă şi reactivă, curent;
Comenzi: anclanşare / declanşare întrerupător, închidere /
deschidere separatoare de bare; punere în funcţie/scoatere din
funcţie RAR.
Celula MT Trafo Servicii Interne şi Bobina de Stingere.
Semnalizări de poziţie: întrerupător (anclanşat / declanşat);
separatoare bare MT (închis / deschis); separator BS (închis /
deschis);
Semnalizări de alarmă: ardere siguranţe de comandă şi
semnalizare; funcţionat protecţie maximală rapidă; funcţionat
protecţie maximală temporizată; funcţionat protecţia de gaze TSI;
10
funcţionat protecţia de gaze BS; miez BS în poziţie limită maximă,
minimă;
Măsuri: tensiune deplasare BS (poziţie miez);putere activă şi
reactivă TSI;
Comenzi: anclanşare / declanşare întrerupător, închidere/deschidere
separatoare de bare MT.
Celulă măsură MT
Semnalizări de alarmă: declanşat USOL transformator de tensiune
(TT); punere la pământ pe bara de MT;
Măsuri: tensiune bara MT;
Celula baterie de condensatoare BC
Semnalizări de poziţie: întrerupător (anclanşat / declanşat);
separatoare bare MT (închis / deschis);
Semnalizări de alarmă: ardere siguranţe de comandă şi
semnalizare; funcţionat protecţie maximală rapidă; funcţionat
protecţie maximală temporizată; funcţionat protecţia de maximă
tensiune, de minimă tensiune; funcţionat protecţia diferenţială;
Măsuri: putere reactivă;
Comenzi: anclanşare / declanşare întrerupător, închidere /
deschidere separatoare de bare MT.
Semnalizări generale pe staţie
Semnalizări: DASF în funcţie / anulat; funcţionat DASF tranşa
1...3; ardere siguranţe DASF; DRRI (Declanşare de Rezervă la
Refuz de Întrerupător) în funcţie / anulat; funcţionat DRRI; ardere
siguranţe DRRI; PDB (Protecţia Diferenţială de Bare) 110 kV în
funcţie / anulat; funcţionat PDB 110 kV; ardere siguranţe PDB 110
kV; AAR (Anclanşare Automată de Rezervă) MT în funcţie pe
Trafo 1, pe Trafo 2; funcţionat AAR MT; ardere siguranţe AAR
MT; AAR JT în funcţie; funcţionat AAR JT; deranjat AAR JT;
funcţionat osciloperturbograf; avarie staţie 110 kV; avarie staţie
MT; declanşat USOL baterie acumulatoare; punere la pământ în
c.c;
Comenzi: punere în funcţie / scoatere din funcţie DASF; punere în
funcţie / scoatere din funcţie DRRI; punere în funcţie / scoatere din
funcţie PDB; punere în funcţie / scoatere din funcţie AAR MT;
punere în funcţie / scoatere din funcţie AAR JT.
11
Prelevarea datelor numerice
Datele numerice, reprezentate prin mărimi binare, sunt prelevate din
proces prin conectarea modulului de Intrări Numerice (IN) al RTU-ului la
contactele unor relee de semnalizare proprii sistemului informaţional.
Conectarea modulului IN cu aceste contacte electrice se realizează fie în schemă
monopolară (simplă), fie în schemă bipolară (dublă), fig. 1.
La conectarea în schemă monopolară (simplă) informaţia se obţine de la
un singur contact de semnalizare, şi deci este reprezentată de un singur bit având
următoarea semnificaţie:
0 – deschis (declanşat), scos din funcţie;
1 – închis (anclanşat), pus în funcţie;
Semnalizările de poziţie monopolare se aplică la citirea poziţiei
separatoarelor, cuţitelor de legare la pământ, stării automatizărilor, altele decât
întrerupătoarele, utilizând un singur contact ce copiază starea acestor
echipamente.
Semnalizările de poziţie bipolare sunt rezervate, în general aparatajului de
comutaţie principal (în mod deosebit întrerupătoarelor). Informaţia se obţine, în
acest caz de la două contacte de semnalizare, cuplate mecanic, şi în consecinţă
va fi reprezentată prin două cifre binare. Semnificaţia pentru această informaţie
este următoarea:
01 – deschis (declanşat);
10 – închis (anclanşat);
00 şi 11 – informaţie incertă.
Modul IN
Vcc S1 S2
mono
polare bipolare
Fig. 1. Scheme de conectare
a semnalizărilor
12
Prelucrarea mărimilor numerice
Mărimile numerice sunt memorate de echipamentele RTU şi transmise la
dispecer însoţite de timpul de producere al evenimentului (cu o rezoluţie de
ordinul a 10 ms).
O primă prelucrare a semnalelor binare, provenite de la conatcte electrice
care în mod obişnuit prezintă vibraţii (cu durate de 1-2 ms ) ce ar putea conduce
la informaţii false, constă în filtrarea numerică, prin program (soft) a acestora.
Contactele electrice cu care RTU se interfaţează, pot fi libere de potenţial,
sau pot fi conectate într-o schemă electrică oarecare. În ambele cazuri trebuie
asigurată imunitatea la diferitele perturbaţii din instalaţiile electroenergetice,
perturbaţii care pot altera informaţiile preluate din proces.
Comenzi către procesul tehnologic
Pentru a putea comanda instalaţiile electroenergetice din staţiile de
transformare, interfeţele de proces ale RTU sunt prevăzute cu posibilitatea
emiterii de semnale electrice de comandă. Există două tipuri de semnale de
comandă:
Comenzi în impulsuri, cu durate de 0,5 – 3 sec., pentru comanda
întrerupătoarelor, comutatoarelor de ploturi, etc.;
Comenzi permanente, la care RTU menţine semnalul de comandă
până la o nouă comandă, cu semnificaţia contrară celei dintâi (de
exemplu, comanda punerii sau scoaterii din funcţiune a
automatizărilor).
Echipamentele din staţiile de transformare sunt gândite să accepte
comenzi de tip contact electric, deci RTU se poate interfaţa cu toate comenzile
procesului prin interfeţe care să asigure ieşiri prin contacte lipsite de potenţial,
realizându-se astfel şi separarea galvanică faţă de procesul tehnologic.
Telecomenzile transmise echipamentelor primare pot fi:
simple, care determină modificarea într-un singur sens a stării unui
echipament prin transmiterea unei singure ieşiri numerice (cazul bobinelor
de anclanşare şi declanşare ale aparatajului de comutaţie);
duble care se emit pentru modificarea în ambele sensuri a stării
echipamentelor (cazul dispozitivelor de automatizare şi a comutatoarelor
de ploturi ale transformatoarelor, etc) ceea ce se realizează prin activarea
a două ieşiri numerice distincte.
13
Având în vedere necesitatea eliminării comenzilor greşite sau intempestive
este necesară implementarea unor scheme (modul) hard – soft de validare a
comenzii. Releele de comandă primesc un plus comun de la modulul de ieşiri
numerice, prin intermediul modulului de validare, iar minusul separat prin
modulul de ieşiri numerice.
Modulul de validare acceptă execuţia telecomenzii (validează comanda)
dacă sunt îndeplinite toate condiţiile:
nu există alte comenzi;
există tensiunea de alimentare a releelor, etc.
Diodele de scurtcircuit inverse ataşate bobinelor releelor de comandă au
rolul de a scurtcircuita eventualele tensiuni induse de circuitul electromagnetic
al acestora, tensiuni care ar putea genera semnale false.
De asemenea pentru a se evita transmiterea greşită a unor comenzi, se
efectuează în prealabil, o testare a selectării înainte de activare. Spre bobina
releului ce urmează a fi acţionat, se transmite un semnal de curent mic, astfel
încât să nu-l acţioneze, dar care poate fi citit de sistem. Se verifică dacă acest
semnal apare şi la alte relee, în afară de cel vizat. Dacă DA, înseamnă că există
riscul unei acţionări nedorite.
Validare
Comanda 1
Comanda 2
. . . .
Comanda n
Circuit de
supraveghere
curent de c-dă
+V
+V comanda
Fig. 8 Schema de principiu a unui
modul de ieşiri numerice
14
Prin contactele normal deschise înseriate cu contactele normal închise ale
releelor Ra, Rd, realizându-se interblocajul, se dă comanda de anclanşare sau
declanşare întrerupătorului respectiv.
Autotestarea
Autotestarea este funcţia prin care echipamentul RTU verifică starea
componentelor sale hard şi soft, inclusiv sistemul de telecomunicaţii la care este
ataşat. Autotestarea se realizează prin execuţia, periodic, la pornire sau la cerere
a unui subprogram înscris în memoria nevolatilă de tip ROM.
Detectarea unei anomalii în funcţionarea unei componente de sistem este
transmisă imediat centrului de comandă şi operatorului local, prin interfaţa
utilizator aferentă RTU-ului.
MODUL
(PLACI)
IESIRI
NUMERICE
MODUL
VALIDARE
-24V
-24V
-24V
-24V
RTU
+24
V
980
Ra
Ra
Rd
Rd
Ra ancl Rd 5
Rd decl Ra 35
+
Fig. 5 Schema de executare a telecomenzilor, prin intermediul modulului de validare
al modulului de ieşiri numerice
15
Sincronizarea timpului
Algoritmii de prelucrare ai semnalelor numerice şi analogice se bazează
pe intervale precise de timp la care trebuie făcută achiziţia şi prelucrările.
Memorarea modificărilor de stare presupune si asocierea timpului la care s-au
produs acestea. De precizia determinării timpului depind în mare măsură
prelucrările şi analizele ulterioare ale evoluţiei procesului tehnologic.
Determinarea exactă a timpului poate fi asigurată prin:
Ceas local la nivelul fiecărui RTU;
Sistem de resincronizare periodică după un ceas unic.
În procesul de sincronizare a timpului apar două probleme diferite:
- sincronizarea echipamentelor după un ceas unic la nivelul staţiei,
- sincronizarea după un ceas la nivelul întregului sistem SCADA.
Sistemul de Conducere Coordonator (SCC)
SCS1
Instalatia 1
SCS2
Instalatia 2
SCSn
Instalatia n
Nivelul de
conducere
superior
Procesul
condus
Nivelul de
conducere inferior
Fluxuri de
informatii
Semnale
electrice
Fig. 1 Structura de principiu a unui sistem de conducere distribuit
Retea locala de comunicatii- punct central (dispecer) M
M Calculator
control statie
Linie
telefonica
Spre MIS
Server
de
comuni-
catii
Statii de lucru dispeceri
Retea locala de transmisii de date – statie electrica
Echipamente de tip
RTU
Fig.2 Exemplu de arhitectura pentru SC-ul distribuit al unei statii electrice
Imprimanta
Informare Interventie
Achizitie, comanda,
protectie, automatizare
Procesul condus
Decizie
Com
enzi
Dat
e (I
nfo
rmat
ii)
Fig. 3 Fluxurile de informatii si comenzi in cadrul SC al unui proces
industrial
Staţie
Master
M
odem
Modem
RTU
Intrări analogice
Intrări numerice
Ieşiri analogice
Ieşiri numerice
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
SCC SCL
Telecomunicaţii
Fig.4. Sistem SCADA unu – la - unu
WS WS WS
Serv
er
TC
WS WS WS
Serv
er
TC
Reţea de comunicaţii extinsă
(WAN)
RTU RTU RTU RTU RTU RTU
Instalaţii şi echipamente ale staţiilor de transformare
CD CD
Reţea locală Reţea locală
Nivel de conducere
local
Funcţii de comunicaţii şi
autosupraveghere
Reţea locală (LAN) Reţea locală (LAN)
Staţii de lucru (Work Stations) Staţii de lucru (Work Stations)
Nivel de conducere
coordonator
Fig. 5 Structura de principiu a unui sistem SCADA
Staţie
Master
M
odem
Modem
RTU
Intrări analogice
Intrări numerice
Ieşiri analogice
Ieşiri numerice
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
SCC SCL
Telecomunicaţii
Fig.6. Sistem SCADA unu – la - unu
Modem
CD
(FEP)
U
C
T
RTU RTU RTU
Fig. 7. Conectarea RTU – urilor în buclă deschisă
Fig. 8 . Conectarea RTU-urilor în buclă închisă cu concentrator de date
Modem
μP
CD
RTU RTU RTU
RTU
Modem
CD
(FEP)
U
C
T
RTU
RTU
RTU
M
U
X
Fig.9. Conectarea RTU-urilor în stea cu concentrator de date şi
multiplexor RS 232
Periferice (COP)
CP1 CP2
Spre SCS
Fig. 10 SCC – Schema de principiu
Interfaţa
utilizator UC
Prelucrarea datelor
Auto diagnoza
Interfata de
comunicatii
Elaborare comenzi
Module
AI
Module
DI
Magistrala interna de date adrese
si comenzi
Module
AO Module
DO
Consola locala
Trafo de masura
de curent si tens.
Traductoare
Impulsuri Contacte de la
-Intrerupătoare
-Separatoare
-Relee
-Disp. automat
Regulatoare
automate
inregistratoare
Relee intermediare
-Intrerupatoare
-Separatoare
-Ploturi prize
Spre SCC Spre echip. inteligente
Fig. 11. Componentele şi funcţiile de bază ale unui RTU
Microprocesor Memorie
locală
I/O
local
Magistrală locală
Periferice locale
Placa controler
Modul
memorie
Modul
memorie ….
Placă memorie externă
Interfaţă de
magistrală
Interfaţă de
magistrală
Magistrala de sistem Date
Adrese
Comenzi
Sursa de
alimentare
Fig. 12 Schema de principiu a UC (sistem cu microprocesor)
S
erver
de
com
unic
aţii
C
D s
au F
EP
MO
DEM
MO
DEM
......
μP+
memorie
+ etc.
Magistrala internă
Interfaţa de
comunicaţi
i
......
μP+
memorie
+ etc.
Magistrala internă
Interfaţa de
comunicaţi
i
...................................................
RTU
Circuit de date
Ret
ea l
oca
lă d
ed d
ate
Fig. 13. Poziţia interfeţei de comunicaţii în cadrul unui sistem de conducere
Unitatea centrală
(UC)
Interfaţă
utilizator
Interfaţă
utilizator
Magistrală de sistem
Modul
Intrări
Analogice
(AI)
Modul
Intrări
Numerice
(NI)
Modul
Ieşiri
Numerice
(NO)
Modul
Ieşiri
Analogice
(AO)
S I P
Traductoare,
Trafo de
măsură
Contacte electrice
Butoane de c-dă
Cont. cu gen.
impulsuri
Bobine de
ancl/decl.,
Contactoare
Regulatoare
Automate,
Înregistratoare
Surse de semnal Elemente de execuţie
Semnale
analogice
de
tensiune
şi curent
Semnale
numerice binare,
tren de
impulsuri
Comenzi
binare
Comenzi
analogice
Fig. 14. Structura şi poziţia relativă a SIP-ului în structura unui RTU
R
e
m
o
t
e
T
e
r
m
i
n
a
l
U
n
i
t
P
r
o
c
e
s
S I P
S I I S I O
AI NI AO NO
Semnale analog
de tens. şi curent Semnale numerice
Binare, tren imp.
Comenzi
analogice
Comenzi binare
şi secv. binare
Fig. 15. Componentele de baza ale SIP
Adaptare
Multiplexare
≈
Filtrare hard
Esantionare-
memorare (S/H)
0100110
1
Conversie
Analog/numerica
≈
Filtrare soft
N
iX 1
1
Calcul valoare
Mărimi
analogice
Valoare
numerică Fig. 16 Schema de principiu a lanţului de măsură
