Protocoale de Comunicatii Folosite In Automatizari

Cuprins:

Argument

Capitolul I. Introducere

I.1 Comunicații de date

I.2 Protocoale de comunicații. Modelul de referință OSI

Capitolul II. Protocoale de comunicații utilizate în automatizări

II.1 Interfețe seriale

II.2 Intrări (analog, digitale) și ieșiri(digitale, pwm)

II.3 Ethernet

Capitolul III. Protocoale de comunicații utilizate în automatizări industriale; monitorizare, control și achiziții de date

III.1 Interfața serială – RS232

III.2 Intrări (analog, digitale) și ieșiri(digitale, pwm)

III.3 Fieldbus
III.3.1 Standardul ProfiBUS

III.4 Industrial Ethernet
III.4.1 Standardul ProfiNET

Capitolul IV. Aplicație – Sistem de monitorizare la distanță și control a umidității

Concluzii

Anexă?

Bibliografie

Argument

Tema proiectului meu „Protocoale de comunicații utilizate în automatizări” face parte din domeniul pregătirii mele profesionale pentru profesia de tehnician în automatizări.

Dintre modulele de pregătire pentru profesia de tehnician în automatizări cel mai mult am fost atras de automatele programabile și rețelele de calculatoare.

În cadrul elaborării proiectului mi-am extins aria de cunoștințe studiind mai intensiv temele din proiect. Totodată temele alese reprezintă probabil cea mai semnificativă parte a profesiei de automatist. Comunicațiile de date stau la baza tuturor sistemelor de automatizare fie că sunt de importanță redusă fie că sunt automatizări de procese industriale.

O precizare utilă pe care doresc să o fac este asupra faptului că în proiect termenul de comunicație nu se referă strict la transmiterea unor informații despre starea unui sistem într-o anumită codificare printr-un anumit mediu de transmisie. În acest proiect termenul de comunicație se referă atât la transmiterea unor informații despre sistem cât și la transmiterea semnalelor de la senzori la unitatea centrală (PLC, MCU, …etc.) și transmiterea semnalelor către actuatori.

Contribuția personală privind elaborarea teoretică a proiectului constă în selectarea informațiilor teoretice din cursuri, broșuri de prezentare, manuale de utilizare a unor produse din domeniul automatizărilor.

În partea finală a lucrării am specificat bibliografia utilizată.

Aplicația practică a proiectului meu este o sinteză a ceea ce înseamnă un sistem SCADA (Monitorizare, Control si Achiziții de Date) a cărei realizare practică ma făcut să înțeleg mai bine funcționarea acestuia. Lucrarea practică și această lucrare va putea constitui bază de studiu pentru colegii mei din anii mai mici.

Capitolul I. Introducere

I.1 Comunicații de date

O comunicație este o transmitere de date și informații care implică o conexiune între două sau mai multe puncte distincte. Transmiterea informației se face cu ajutorul unor conductori electrici, fibre optice sau unde(radio, infraroșii,…etc.) în cazul în care transmisia se face fără fir (wireless).

De mulți ani standardul comunicației de câmp pentru echipamentele din procesele de automatizare a reprezentat-o semnalul analogic de curent (mA). Acesta variază in intervalul 4-20 mA in funcție de variația mărimii de proces. În aplicații un semnal de 4 mA corespunde limitei de jos (0%) din scala si 20 mA va corespunde limitei de sus (100%). În principiu toate sistemele instalate folosesc acest standard internațional pentru a comunica informațiile variabilelor de proces intre echipamentele din automatizare.

Odată cu creșterea complexității instalațiilor tehnologice, un singur automat programabil sau controler ne mai fiind suficiente, numărul de senzori și module specializate de acționare crescând considerabil, numărul de cabluri necesare pentru interconectarea dispozitivelor a crescut și el la rândul lui. Astfel a luat naștere ideea de a le face să comunice între ele printr-un set de reguli care pot face ca informația să fie transmisă printr-un canal de comunicație care e caracterizat de un număr redus de cabluri și o topologie a rețelei care de asemenea să reducă consumul de cablu.

I.2 Protocoale de comunicații. Modelul de referință OSI.

Un protocol de comunicații este un set de reguli și norme care permite ca două sau mai multe entități dintr-un sistem de comunicații să comunice între ele prin transmiterea de informație printr-un mediu de orice tip.

Un protocol de comunicatie trebuie să fie usor de implementat. Acest lucru poate fi realizat prin impartirea protocolului in nivele interconectate, fiecare nivel realizand un anumit numar de operatii. Se incearca separarea clara a acestor nivele, interactiunea dintre ele sa fie minima, un nivel interactionand numai cu nivelul de deasupra sau cu cel de dedesubt.

Modelul de referință OSI (Open Systems Interconnecton) cuprinde o serie de protocoale de comunicație ierarhizate și oferă metode generale pentru realizarea comunicației pentru ca acestea să poată schimba informații indiferent de particularitățiile constructive ale sistemelor (fabricant, sistem de operare, etc.).

Modelul OSI divizează problema complexă a comunicării între două sau mai multe sisteme în 7 nivele. Prin aceasta separare pe nivele, protocolul este mult mai ușor de testat pentru că se poate testa fiecare nivel separat si nu necesita cazuri de test foarte complicate. Acest model are 7 nivele: • nivelul aplicatie • nivelul prezentare • nivelul sesiune • nivelul transport • nivelul retea • nivelul legatura de date • nivelul fizic

Nivelul fizic are rolul de a transmite datele de la un calculator la altul prin intermediul unui mediu de comunicatie. Datele sunt vazute la acest nivel ca un sir de biti. Problemele tipice sunt de natura electrica: nivelele de tensiune corespunzatoare unui bit 1 sau 0, durata impulsurilor de tensiune, cum se initiaza si cum se opreste transmiterea semnalelor electrice, asigurarea pastrarii formei semnalului propagat. Mediul de comunicatie nu face parte din nivelul fizic.

Nivelul legăturii de date corecteaza erorile de transmitere aparute la nivelul fizic, realizand o comunicare corecta intre doua noduri adiacente ale retelei. Mecanismul utilizat in acest scop este impartirea bitilor in cadre ( frame), carora le sunt adaugate informatii de control. Cadrele sunt transmise individual, putand fi verificate si confirmate de catre receptor. Alte functii ale nivelului se refera la fluxul de date (astfel incat transmitatorul sa nu furnizeze date mai rapid decat le poate accepta receptorul) si la gestiunea legaturii (stabilirea conexiunii, controlul schimbului de date si desfiintarea conexiunii).

Nivelul rețea asigura dirijarea unitatilor de date intre nodurile sursa si destinatie, trecand eventual prin noduri intermediare (routing ). Este foarte important ca fluxul de date sa fie astfel dirijat incat sa se evite aglomerarea anumitor zone ale retelei (congestionare ). Interconectarea retelelor cu arhitecturi diferite este o functie a nivelului retea.

Nivelul transport realizeaza o conexiune intre doua calculatoare gazda (host) detectand si corectand erorile pe care nivelul retea nu le trateaza. Este nivelul aflat in mijlocul ierarhiei, asigurand nivelelor superioare o interfata independanta de tipul retelei utilizate. Functiile principale sunt: stabilirea unei conexiuni sigure intre doua masini gazda, initierea transferului, controlul fluxului de date si inchiderea conexiunii.

Nivelul sesiune stabileste si intretine conexiuni (sesiuni) intre procesele aplicatie, rolul sau fiind acela de a permite proceselor sa stabileasca "de comun acord" caracteristicile dialogului si sa sincronizeze acest dialog.

Nivelul prezentare realizeaza operatii de transformare a datelor in formate intelese de entitatile ce intervin intr-o conexiune. Transferul de date intre masini de tipuri diferite (Unix-DOS, de exemplu) necesita si codificarea datelor in functie de caracteristicile acestora. Nivelul prezentare ar trebui sa ofere si servicii de criptare/decriptare a datelor, in vederea asigurarii securitatii comunicatiei in retea.

Nivelul aplicație are rolul de "fereastra" de comunicatie intre utilizatori, acestia fiind reprezentati programe. Nivelul aplicatie controleaza mediul in care se executa aplicatiile, punandu-le la dispozitie servicii de comunicatie.

Primele trei nivele de la baza ierarhiei (fizic, legatura de date, retea) sunt considerate ca formand o subretea de comunicatie . Subreteaua este raspunzatoare pentru realizarea transferului efectiv al datelor, pentru verificarea corectitudinii transmisiei si pentru dirijarea fluxului de date prin diversele noduri ale retelei. Acest termen trebuie inteles ca desemnand "subreteaua logica", adica multimea protocoalelor de la fiecare nivel care realizeaza functiile de mai sus. Termenul de subretea este utilizat si pentru a desemna liniile de transmisie si echipamentele fizice care realizeaza dirijarea si controlul transmisiei.

Modelul OSI nu este implementat in intregime de producatori, nivelele sesiune si prezentare putand sa lipseasca (unele din functiile atribuite acestora in modelul OSI sunt indeplinite de alte nivele). Modelul OSI este un model orientativ, strict teoretic, realizarile practice fiind mai mult sau mai putin diferite.

Capitolul II. Protocoale de comunicații utilizate în automatizări

II.1 Protocoale seriale

Protocolul RS-232

Este primul și unul dintre cele mai populare standarde de comunicație serială. Acest standard, care a fost dezvoltat de „Electronic Industry Asociation and the Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) este cunoscut mai simplu ca „RS-232”, unde „RS” înseamnă „recomended standard”.

Acest standard este pur și simplu dedicat comunicației seriale între un sistem gazdă (Data Terminal Equipment sau DTE) și un sistem periferic (Data Circuit-Terminating Equipment, sau DCE). Standardul RS-232 a fost definit în 1962. Cum aceasta a fost înainte de cercetările asupra TTL, el nu folosește nivelurile logice de 5 și 0 volți. În schimb, nivelul superior al ieșirii driverului este definit ca fiind între +5 și +15 volți, și nivelul inferior al ieșirii driverului este definit ca între -5 și -15 volți. Figura 3.2 ilustrează nivelurile logice definite de standardul RS-232. Este important de menționat că nivelul jos (între -5 și -15 volți) este definit ca logic 1 și un nivel înalt (între +5 si +15 volți) este definit ca logic 0.

Deși RS-232 specifică un conector cu 25 de pini, trebuie menționat ca deseori nu este folosit acest conector. Aceasta datorită faptului că cele mai multe aplicații nu au nevoie de toate semnalele definite și deci un conector cu 25 pini este mai mare decât ar fi necesar. Se folosesc alte tipuri de conectori, cel mai popular fiind cel cu 9 pini DB9S. El este suficient pentru aplicațiile uzuale (cum ar fi programarea unui PLC sau microcontroler), permițând transmisia si recepția semnalelor necesare acestor aplicații.

Astăzi calculatoarele moderne nu mai sunt dotate cu interfața serială RS-232 care în trecut era folosită pentru conectarea modemurilor, imprimatelor, mausilor, dispozitivelor de stocare de date. Totuși interfața RS-232 este larg folosită pe utilajele industriale, la programarea automatelor programabile și a microcontrolerelor cât și în achiziții de date. Pentru a compensa lipsa interfeței RS-232 pe calculatoarele moderne s-au proiectat diferite adaptoapre USB la RS-232.

În Figura 2.1a este prezentată o utilizare practică a interfeței RS-232. Întrucât interfața RS-232 a fost proiectată pentru a lucra în gama -15V, +15V pentru a nu distruge microcontrolerul sa folosit un convertor de la RS-232 la semnal TTL care corespunde tensiunilor de 0V și 5V.

Figura 2.1a – Programarea unui microcontroller prin intermediul interfeței RS-232.

De asemenea există convertoare de la USB la RS-232 sau la RS-232(TTL) care se găsesc în comerț sub diferite tipuri, cele mai uzuale fiind prezentate în figurile 2.2a și 2.3a

Protocolul USB

Este cel mai răspândit și popular protocol de comunicație serială. Elaborarea protocolului USB (Universal Serial Bus) a început în anul 1995 de către un grup de firme cu renume printre care se aflau: Compaq, IBM, Intel și Microsoft. Aceste firme s-au unit în asociația USB Implementers Forum, care a publicat prima versiune a standardului USB. Această asociație, care s-a extins cu un număr mare de firme, continuă să actualizeze standardele USB pentru controlerele USB și diferitele categorii de periferice care se pot conecta la magistrala USB.

Una din motivațiile elaborării magistralei USB a fost de a simplifica interconexiunile dintre calculator și periferice prin reducerea numărului de cabluri care se conectează la calculator și utilizarea aceluiași tip de conector pentru diferite categorii de periferice. O altă motivație pentru elaborarea magistralei USB a fost asigurarea unei rate de transfer mai ridicate decât cele permise de porturile seriale și paralele. Deși la primele versiuni (1.0 și 1.1) ale magistralei USB rata maximă de transfer era de numai 12 Mbiți/s, această rată a crescut în mod semnificativ (până la 480 Mbiți/s) la versiunea 2.0 a magistralei USB. Începând cu versiunea 2.0 magistrala oferea posibilitatea adăugării perifericelor la calculator fără deconectarea tensiunii de alimentare și reîncărcarea sistemului de operare.

Toate perifericele USB utilizează un conector standard, eliminându-se necesitatea utilizării unor conectori diferiți pentru fiecare tip de periferice. Pentru transferul semnalelor și a tensiunii de alimentare pe magistrală, se utilizează un cablu cu patru fire. Semnalele diferențiale de date se transmit pe liniile D+ și D-, formate din două fire răsucite. Semnalul de ceas este codificat împreună cu datele. Alături de cele două fire răsucite mai există 2 linii Vbus și GND care alimentează perifericele cu tensiunea de 5V. La fiecare capăt al magistralei se utilizează teminatori de magistrală. Terminatorii de magistrală permit detectarea conectării sau deconectării unui periferic și diferențierea între perifericele cu viteză normală și cele cu viteză redusă.

Figura 2.1b – Cablu USB (foto: utcluj.ro)

Protocolul I2C

Standardul I2C (Inter-Integrated Circuit) e un standard de comunicație serială dezvoltat de Philips folosit pentru conectarea perifericelor precum EEROM-uri, convertoare A/D, D/A la sisteme integrate cu microprocesoare. Popularitatea acestui standard constă în simplitatea utilizării. Pe magistrală există o componentă MASTER și până la 40 de componente SLAVE. Fiecare componentă are o adresă unică, componenta MASTER generează semnalul de tact și inițializează comunicarea cu componentele SLAVE, iar componentele SLAVE primesc semnalul de tact și transmit informații când acestea sunt cerute de către MASTER.

Magistrala este formată din 2 linii: SDA – Serial Data Line și SCL – Serial Clock Line. Viteza de transmisie a datelor este de 100 kbit/s însă după anul 2006 odată cu revizuirea standardului sa ajuns la viteze de până la 3,4 Mbit/s. Tensiunile utilizate sunt 5V sau 3,3V. Standardul nu a avut popularitatea care ar fi meritat-o până la apariția plăcilor de dezvoltare bazate pe microcontrolere și microprocesoare precum Arduino și Raspbery Pi.

Protocolul SPI

Standardul SPI (Serial Peripheral Interface) este folosit pentru comunicațiile pe distanțe scurte în sisteme integrate. Standardul a fost dezvoltat de Motorola și este folosit intensiv în tehnica actuală (senzori, display cu cristale lichide, etc.). Interfața SPI poate opera cu un singur dispozitiv MASTER și unul sau mai multe dispozitive SLAVA. Folosește linii separate pentru semnalul de tact, transmisiile de date și inițializarea cu dispozitivul SLAVE.

Magistrala este formată din 4 linii SCLK- Serial Clock, MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input, MISO/SOMI – Master Input, Slave Output, SS – Slave Select.

Concluzie

Fără îndoială standardul USB are nenumărate avantaje față de restul standardelor singura limitare a având legătură doar cu lungimea maximă a cablului(5m) favorizând folosirea protocolului RS-232. Totuși standardul RS-232 este încă folosit și răspândit datorită numărului mare de utilaje industriale și dispozitive de monitorizare, control și achiziții de date care îl folosesc. Existența convertoarelor USB la RS-232/RS-232(TTL) la un preț redus a făcut posibilă eliminarea conectorului RS-232 destul de voluminos din calculatoarele de generație nouă.

Tabelul 2.1

II.2 Intrări analog/digitale și ieșiri digitale

Intrările pot fi digitale și/sau analogice. În cazul intrării analogice se face conversia de la analog la digital. Luând un caz particular microcontrolerul Atmega328, rezoluția de conversie A/D este de 10biti, astfel un semnal de 5V, iar referința internă a microcontrolerului este de 5V, pe pinul analogic putem citi valoarea 1023, deci conversia analog-digital este 0…5V – > 0 … 1023. Cu ajutorul pinilor configurați ca intrare/ieșire putem culege informații din mediu sau dintr-un sistem, sa le convertim întru-un „limbaj” înțeles de către acesta, iar în funcție de programul scris in el, la ieșire să acționeze condiționat dispozitive electrice ( motoare, rezistente, led-uri, etc).

În industrie traductoarele care se conectează la automate programabile produc semnale cuprinse intre 4-20 mA sau 0-10V care de asemenea sunt convertite în informație digitală. Ieșirile automatelor programabile pot fi pe relee sau pe tranzistori. Totuș în cazul ieșirii pe tranzistori nu există nivele intermediare. Semnalul de ieșire este 0 sau tensiunea de alimentare a automatului programabil de regulă 24V.

II.3 FieldBUS

Fieldbus este o magistrala pentru retelele distribuite industriale in timp real. Un sistem industrial, de exemplu o linie de asamblare, are nevoie de un sistem ierahizat de control pentru a functiona in parametrii normali. In aceasta ierarhie exista la nivelul superior o interfata Om-Masina (HMI – Human Machine Interface), de unde un operator poate monitoriza si controla intregul sistem. Acesta interfata comunica cu urmatorul nivel, care e de obicei reprezentat prin controlere logice programabile (PLC), printr-un sistem care poate fi in timp real sau nu, de exemplu Ethernet. La cel mai jos nivel gasim magistrala Fieldbus care conecteaza PLC-urile la componentele care realizeaza diverse actiuni, de exemplu senzori, motoare, console, intrerupatoare, contacte etc. Sistemele analoage de control produc semnale de 4-20 mA care sunt plimbate intre centrul de control si unitatile de procesare. Necesitatea transmiterii acestor semnale de la un nivel la altul in sistemul ierarhizat de control a dus la aparitia unui numar foarte mare de cabluri. Cu cat sistemul este mai complex cu atat numarul de cabluri este mai mare. De aceea a aparut necesitatea construirii unei magistrale comune la care aceste instrumente sa fie conectate, eliminind astfel un numar mare de cabluri.

FieldBUS este o tehnologie noua care are rolul de a înlocui, în câmp, cablarea convențională de tip 4 … 20 mA; 0…10 V, care este scumpă. Această tehnologie asigură transmiterea serială, bidirecțională a datelor. Prin tehnologia FieldBUS, toată comunicația între dispozitivele situate in câmp și sistemul de automatizare are loc prin intermediul unui bus serial.

Tehnologia FIELDBUS asigura comunicația între sistemul de automatizare, terminalele operator si echipamentele situate in câmp. Astfel se simplifica parametrizarea și punerea în funcțiune a tuturor componentelor sistemului. Funcțiunile comunicației asigura o buna evaluare si diagnosticare a stării dispozitivelor din câmp.

II.3 Ethernet

Ethernet este denumirea unei familii de tehnologii de rețele de calculatoare bazată pe transmisia datelor și utilizată la implementarea rețelelor locale. Ethernet-ul se definește printr-un set de standarde pentru cablare și semnalizare electrică aparținând primelor două niveluri din modelul OSI – nivelul fizic și legătură de date. Ethernet-ul este standardizat de IEEE. Aceste standarde permit transmisia datelor prin mai multe medii fizice, cum ar fi: • cabluri coaxiale, cabluri torsadate, fibră optică.

IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) a lansat în 1983 standardul oficial Ethernet denumit IEEE 802.3 după numele grupului de lucru care a răspuns de dezvoltarea sa. În 1985 a lansat versiunea 2 (IEEE 802.3a) cunoscută sub denumirea Thin Ethernet sau 10Base2, în acest caz lungimea maximă a cablului este 185 m. .Topologia (structura) este în stea, ceea ce prezintă avantajul că întreruperea unui fir nu întrerupe rețeaua, dar și dezavantajul unui consum mai mare de cablu față de topologia bus.

Capitolul IV. Aplicație – Sistem de monitorizare la distanță și control a umidității

SCADA este prescurtarea pentru Monitorizare, Control si Achizitii de Date (Supervisory Control And Data Acquisition). Automatizarile SCADA sint folosite pentru monitorizarea sau controlul proceselor chimice, fizice sau de transport.

Termenul SCADA se refera de obicei la un centru de comanda care monitorizeaza si controleaza un intreg spatiu de productie. Cea mai mare parte a operatiunilor se executa automat de catre RTU – Unitati Terminale Comandate la Distanta (Remote Terminal Unit) sau de catre PLC- Unitati Logice de Control Programabile (Programmable Logic Controller).

Functiile de control ale centrului de comanda sint de cele mai multe ori restrinse la functii decizionale sau functii de administrare generala.

Achizitia de date incepe la nivelul RTU sau PLC si implica citirea indicatoarelor de masura si a starii echipamentelor care apoi sint comunicate la cerere catre SCADA. Datele sint apoi restructurate intr-o forma convenabila operatorului care utilizeaza o HMI, pentru a putea lua eventuale decizii care ar ajusta modul de lucru normal al RTU/PLC. (Un sistem SCADA include componentele: HMI, controllere, dispozitive de intrare-iesire, retele, software si altele)

Un sistem SCADA tipic implementeaza o baza de date distribuita care contine elemente denumite puncte. Un punct reprezinta o singura valoare de intrare sau iesire monitorizata sau controlata de catre sistem. Punctele pot fi fie hard, fie soft. Un punct hard este reprezentarea unei intrari sau iesiri conectata la sistem, iar un punct soft reprezinta rezultatul unor operatii matematice si logice aplicate altor puncte hard si soft. Valorile punctelor sint stocate de obicei impreuna cu momentul de timp cind au fost inregistrate sau calculate. Seria de puncte+timp reprezinta istoricul acelui punct.

RTU – Unitatile Terminale Comandate la Distanta – (Remote Terminal Unit)

RTU realizeaza conexiunea cu echipamentele supravegheate, citesc starea acestora (cum ar fi pozitia deschis/inchis a unui releu sau valve), citesc marimile masurate cum ar fi presiunea, debitul, tensiunea sau curentul. RTU pot controla echipamentele trimitind semnale, cum ar fi cel de inchidere a unui releu sau valve sau setarea vitezei unei pompe.

RTU pot citi stari logice digitale sau masuratori analogice, si pot trimite comenzi digitale sau setari de valori analogice de referinta.

O parte important a implementarilor SCADA sint alarmele. O alarma este starea logica a unui punct care poate avea valoarea NORMAL sau ALARMAT. Alarmele pot fi create in asa fel incit ele se activeaza atunci cind conditiile sint indeplinite. Un exemplu de alarma este avertizorul luminos “rezervorul de benzina gol” al unei masini. Alarmele indreapta atentia operatorului SCADA spre partea sistemului care necesita o interventie. La activarea alarmelor, un manager de alarme poate trimite mesaje email sau text operatorului.

PLC -Controllere logice programabile (Pogrammable Logic Controller)

Un PLC, este un mic computer cu un microprocesor folosit pentru automatizarea proceselor cum ar fi controlul unui utilaj intr-o linie de asamblare. Programul unui PLC poate adesea controla secvente complexe si de cele mai multe ori este scris de catre un inginer. Programul este apoi salvat in memoria EEPROM.

Ceea ce diferentiaza un PLC de alte computere este faptul ca este prevazut cu intrari/iesiri catre senzori si relee. PLC-urile citesc starea comutatoarelor, a indicatoarelor de temperatura, de pozitie s.a. PLC-urile comanda motoare electrice, pneumatice sau hidraulice, relee magnetice. Intrarile/iesirile pot fi externe prin module I/O sau interne.

PLC-urile au fost inventate ca o alternativa mai putin costisitoare la vechile sisteme care foloseau zeci sau sute de relee si timere. Adesea un PLC poate fi programat sa inlocuiasca sute de relee. PLC au fost initial folosite de industria constructoare de masini.

Functionalitatea unui PLC s-a dezvoltat de-a lungul anilor pentru a include controlul releelor, controlul miscarii, control de proces, Sisteme de Control Distribuit si retele complexe.

La primele PLC-uri functiile decizionale erau implementate cu ajutorul unor simple diagrame ladder (Ladder Diagram) inspirate de diagramele electrice ale conexiunilor. Astfel electricienilor le era usor sa depaneze problemele de circuit avind diagramele schematizate cu logica lader.

In prezent, linia ce delimiteaza un computer programabil de un PLC este tot mai subtire. PLC-urile s-au dovedit a fi mai robuste, in timp ce computerele au inca deficiente. Folosind standardul IEC 61131-3 acum este posibila programarea PLC folosind limbaje de programare structurata si operatii logice elementare. La unele PLC este disponibila programarea grafica denumita (Sequential Function Charts) bazata pe Grafcet.

HMI – Interfata om-masina (Human Machine Interface)

Industria de HMI/SCADA a aparut din nevoia unui terminal prietenos pentru utilizator intr-un sistem alcatuit cu unitati PLC.

Un PLC este programat sa controleze automat un proces, insa faptul ca unitatile PLC sint distribuite intr-un sistem amplu, colectarea manuala a datelor procesate de PLC este dificila. De asemenea informatiile din PLC sint de obicei stocate intr-o forma bruta, neprietenoasa.

HMI/SCADA are rolul de a aduna, combina si structura informatiile din PLC printr-o forma de comunicatie. Încă din anii 1990 rolul sistemelor SCADA in sistemele inginerești civile s-a schimbat, necesitând o mai mare cantitate de operatiuni executate automat. Un HMI elaborat, poate fi de asemenea conectat la o baza de date pentru realizarea de grafice in timp real, analiza datelor, proceduri de intretinere planificate, scheme detaliate pentru un anumit senzor sau utilaj, precum si metode de depanare a sistemului. Din 1998, majoritatea producatorilor de PLC ofera sisteme HMI/SCADA integrate, cele mai multe folosind sisteme de comunicatie si protocoale deschise, neproprietare. Majoritatea sistemelor HMI/SCADA ofera compatibilitate cu PLC-urile.

Componentele sistemului SCADA

Cele trei componente ale sistemului SCADA sint:

1. Mai multe RTU sau PLC.

2. Statia Master si HMI Computer(e).

3. Infrastructura de comunicatie.

Statia Master si HMI

Termenul se refera la serverele si software-ul responsabil de comunicarea cu echipamentele amplasate la distanta (RTU, PLC, etc) si apoi cu software-ul HMI care ruleaza pe statiile de lucru din camera de control. In sistemele SCADA mici, statia master poate fi un singur PC. In sistemele mari, statia master poate include mai multe servere, aplicatii software distribuite, si unitati de salvare in caz de dezastre.

Un sistem SCADA prezinta de regula informatia operatorului sub forma unei schite sugestive. Aceasta inseamna ca operatorul poate vedea o reprezentare a instalatiei supravegheate. De exemplu, o imagine a unei pompe conectate la o conducta poate afisa operatorului faptul ca pompa lucreaza si cit fluid este pompat prin conducta la un moment dat. Operatorul poate apoi opri pompa. Software-ul HMI afiseaza debitul fluidului in scadere in timp real.

Pachetul HMI/SCADA include de obicei un program de desenare pe care operatorul sau personalul de intretinere il foloseste pentru a schimba modul in care punctele sint reprezentate in interfata utilizator. Aceste reprezentari pot lua forme simple cum ar fi un semafor sau chiar forme complexe cum ar fi pozitia unor lifturi sau a unor trenuri.

Infrastructura de comunicatie

Sistemele SCADA folosesc combinate conexiuni radio, seriale sau conexiuni modem in functie de necesitati. Pentru amplasamente mari cum ar fi cai ferate sau statii de alimentare sint folosite de asemenea conexiuni Ethernet si IP/Sonet.

Protocoalele SCADA sint concepute foarte compacte si multe sint concepute ca sa poata trimite informatii statiei master chiar si cind statia master interogheaza RTU. Protocoalele initiale SCADA de baza sint Modbus, RP-570 si Conitel. Aceste protocoale sint dependente de producator. Protocoalele standard sint IEC 60870-5-101 sau 104, Profibus si DNP3. Acestea sint protocoale standardizate si recunoscute de majoritatea producatorilor SCADA. Multe din aceste protocoale contin acum extensii pentru operarea pe TCP/IP, cu toate acestea securitatea ceruta in practica sugereaza evitarea conexiunii la Internet pentru a reduce riscurile unor atacuri.

Capitolul IV. Aplicație – Sistem de monitorizare și control la distanță a umidității

Sistemul de monitorizare și control la distanță a umidității este realizat pe platforma de dezvoltare Arduino Uno. Elementul de intrare este traductorul rezistiv de umiditate iar cel de ieșire este circuitul electronic cu releu.

Traductorul rezistiv este format din 2 plăci de cupru, una dintre ele fiind alimentată cu o tensiune de 5V, iar cealaltă placă de cupru este conectată la baza tranzistorului. Citirea traductorului rezistiv se face de către microcontroler convertind din analog în digital cu o rezoluție de conversie de 10biți tensiunea culeasă de pe divizorul de tensiune format între emitorul tranzistorului BC546 și rezistența de 10k, astfel în microcontroller tensiunea de 5V va corespunde valorii digitale 1023, iar tensiunea de 0V va corespunde valorii digitale de 0.

Programul citește la intervale regulate de 5 secunde valoarea de pe intrarea analogică a microcontroler-ului și o afișează pe calculator, iar in funcție de valoare acționează asupra releului. În urma prelucrării citirilor, se pot genera grafice cu variația umidității și starea pompei în anumite momente de timp.