A PATRA CONFERINŢĂ A HIDROENERGETICIENILOR DIN ROMÂNIA,

Dorin Pavel

SISTEME DE WEB SCADA PENTRU C.H.E.

Nicolae VASILIU1, Dragoş ION GUŢĂ2, Constantin CĂLINOIU3, George BLEAJĂ4, Matthias

WANNER5

Rezumat: În cadrul lucrării a fost realizat un model experimental de WEB SCADA aferent unui sistem automat electrohidraulic specific centralelor hidroelectrice şi au fost efectuate experimentări sistematice în vederea validării structurii hardware şi software propuse. De asemenea, a fost experimentat un model funcţional de WEB SCADA bazat pe tehnologia UMTS/GPRS în cadrul unui sistem de monitorizare realizat de acelaşi colectiv de cercetare la ecluza românească a SHEN Porţile de Fier I. Aplicaţia folosită pentru a furniza informaţiile introduse în baza de date a fost realizată în mediul de dezvoltare TestPoint. Acesta permite transferul datelor prin mecanismul ODBC folosind extensia Database Toolkit. La dezvoltarea aplicaţiei demonstrative s-a folosit serverul LINUX al Laboratorului de Acţionări Hidraulice şi Pneumatice (www.fluid-power.pub.ro) pe care s-au instalat web server Apache şi baza de date dezvoltată cu MySql şi PHP.

1. INTRODUCERE

Generalizarea sistemelor de supraveghere şi control de la distanţă a tuturor

amenajărilor hidroenergetice constituie o prioritate majoră pentru autoritatea hidroelectrică

naţională. În cadrul colaborării permanente cu S.C. HIDROELECTRICA S.A., colectivul

Laboratorului de Acţionări Hidraulice şi Pneumatice al C.H.M.H.I.M. din U.P.B. a realizat

un model experimental de WEB SCADA aferent unui sistem automat electrohidraulic

1 Prof. dr. ing. - Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cat.de Hidraulică şi Maşini Hidraulice 2 As. drd. ing. - Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cat.de Hidraulică şi Maşini Hidraulice 3 Conf. dr. ing. - Univ. Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, Cat.de Hidraulică şi Maşini Hidraulice 4 Ing. - S.C. INTERNET S.R.L. 5 Drd. ing. - Ingenieurbüro Wanner GmbH, Germany

specific centralelor hidroelectrice şi a efectuat experimentări sistematice în vederea

validării structurii hardware şi software a acestuia. Acelaşi colectiv a experimentat un

model funcţional de WEB SCADA bazat pe tehnologia UMTS/GPRS în cadrul unui sistem

de monitorizare realizat de acelaşi colectiv de cercetare la ecluza românească a SHEN

Porţile de Fier I. Aplicaţia folosită pentru a furniza informaţiile introduse în baza de date a

fost realizată în mediul de dezvoltare pentru aplicaţii de măsurare, testare şi prelucrare a

datelor experimentale şi a celor din procesele industriale TestPoint, produs de Capital

Equipment Corporation din U.S.A.. Acesta permite transferul datelor prin mecanismul

ODBC (Open Data Base Connectivity) folosind extensia Database Toolkit.

La dezvoltarea aplicaţiei demonstrative s-a folosit serverul LINUX al Laboratorului

de Acţionări Hidraulice şi Pneumatice (www.fluid-power.pub.ro) pe care s-au instalat: web

server Apache şi baza de date dezvoltată cu MySql şi PHP. Datele achiziţionate din proces

cu ajutorul aplicaţiei dezvoltate în TestPoint au fost trimise prin mecanismul ODBC în baza

de date instalată pe serverul Linux. Informaţiile din baza de date aflată pe acesta sunt

preluate şi prelucrate printr-o aplicaţie dezvoltată în PHP. În aplicaţia demonstrativă datele

au fost reprezentate grafic şi sub formă tabelară pe o pagină de web. Aplicaţia poate fi

vizitată pe pagina de web www.fluid-power.pub.ro/webtest.php utilizînd ca user "director"

şi parola "hydropower".

2. ARHITECTURA SISTEMULUI

Arhitectura modelului funcţional de Sistem Web SCADA dedicat centralelor

hidroelectrice este concepută pe structura LAMP ale cărei componente sunt: sistemul de

operare Linux, Web Server Apache, RDBMS (Relational Database Management System)

MySql şi Middleware (limbaj de programare) PHP.

Pentru a furniza informaţiile necesare încărcării bazei de date au fost realizate două

aplicaţii în mediul de dezvoltare TestPoint. În figura 1 este prezentată structura modelului

experimental de sistem WEB SCADA realizat în spaţiile Laboratorului de Acţionări

Hidraulice şi Pneumatice. Diferitele module ale sistemului SCADA sunt amplasate astfel:

Sala ELa 015 b

Sala ELa 014

SERVOMECANISMAPARAT DI

ICP-CON

INTERNET

SERVOMECANISM PR

SERVOMECANISM ADPLC

ADWin-PROADBasic

PC TESTPOINT

SCADAWORKSTATION

WS-843 ATESTPOINT

PC Test

PC Test

SWITCH

SWITCH

SERVERwww.fluid-power.pub.roMySQL/PHP/APACHE

PC Clienthydrop.pub.ro

Sala ELa 013

Sala ELa 219

Fig. 1 Schema structurală a modelului experimental de sistem WEB SCADA

1. În sala Ela 014 sunt amplasate următoarele echipamente: un server Linux pe care

sunt instalate următoarele pachete de software: MySQL, Apache şi PHP; un sistem local

pentru achiziţia şi prelucrarea datelor care include un sistem PC şi module de achiziţia

datelor de tip ICP CON; un switch cu management pentru conectarea diverselor

echipamente; un modul de simulare a semnalelor format dintr-un generator programabil de

semnale, un traductor de temperatură, o sursă de tensiune şi un bloc de relee.

2. În sala Ela 015b sunt amplasate următoarele echipamente: un stand experimental

pentru sincronizarea mişcării a două servomecanisme electrohidraulice; un sistem de

achiziţie şi prelucrare a datelor format dintr-un calculator industrial KEITHLEY ADWin-

PRO şi un calculator industrial ICP WS-483A; un switch cu management pentru conectarea

diverselor echipamente; un sistem PC pentru teste locale.

3. În sala Ela 013 este amplasat un sistem PC pentru teste de la distanţă.

4. În sala Ela 219 este amplasat, în afara reţelei locale, un sistem PC utilizat pentru

verificarea bunei funcţionări a sistemului SCADA.

Informaţiile stocate în baza de date MySQL sunt prelucrate cu ajutorul limbajului de

scripting PHP în vederea realizării unei pagini de web care permite vizualizarea datelor

achiziţionate din proces sub formă grafică şi tabelară. Integrarea acestor aplicaţii are ca

scop unificarea informaţiilor provenite din procesele supervizate, monitorizate sau

controlate la nivelurile locale. Transmiterea în timp real a informaţiilor de la nivelurile

locale la nivelul central (S.C. Hidroelectrica S.A.) asigură factorilor de decizie o informare

corectă asupra situaţiilor monitorizate la nivel local. Pentru achiziţia informaţiilor necesare

încărcării bazei de date au fost utilizate două sisteme ale căror caracteristici sunt prezentate

în continuare. Sistemul de achiziţie a datelor cu automat programabil este un sistem

industrial de achiziţie şi prelucrare a datelor care include următoarele componente: un bloc

electronic ADWin-PRO care are o structura de automat programabil; un calculator

industrial de tipul Workstation WS-483A. Acest sistem de achiziţie a fost conectat la

standul pentru sincronizarea mişcării tijelor servomecanismelor electrohidraulice realizat în

cadrul Laboratorului de Acţionări Hidraulice şi Pneumatice al Catedrei de Hidraulică,

Maşini Hidraulice şi Ingineria Mediului din U.P.B. Acest stand include două

servomecanisme electrohidraulice alimentate de la o sursă de presiune constantă şi

comandate cu un semnal de tensiune. Pentru determinarea poziţiei tijelor

servomecanismelor sunt utilizate două traductoare de deplasare liniară cu rezoluţie infinită.

Semnalele furnizate de aceste traductoare sunt achiziţionate cu ajutorul sistemului

KEITHLEY ADWin-PRO. În fig. 2 se prezintă două vederi caracteristice ale standului din

sala Ela 015b.

Servomecanismele utilizate în structura standului sunt tipice pentru o turbină

Kaplan de putere medie: un servomecanism acţionează palele aparatului director iar celălalt

este rezervat acţionării paletelor rotorice. Fiecare servomecanism electrohidraulic este

format din următoarele echipamente: motor hidraulic liniar, distribuitor proporţional de

mare viteză, traductor de poziţie, convertor curent-tensiune şi bloc electronic analogic

(servocontroler). Datele achiziţionate din proces cu ajutorul aplicaţiei dezvoltate în

TestPoint sunt trimise prin mecanismul ODBC în baza de date care se află pe serverul

Linux. Informaţiile din baza de date aflată pe serverul Linux sunt preluate şi prelucrate

printr-o aplicaţie dezvoltată în limbajul PHP. In aplicaţia demonstrativă datele au fost

reprezentate grafic şi sub formă de tabel pe o pagină de web. Aplicaţia poate fi vizitată pe

pagina de web: http://www.fluid-power.pub.ro/webtest.php. Accesul la pagină este

condiţionat de numele utilizatorului („director”) şi de parola curentă „hydropower”.

Fig. 2 Vedere frontală a standului de încercări Fig. 3 Vedere laterală a standului de încercări

2. EVALUAREA EXPERIMENTELOR

Pentru efectuarea experimentelor au fost elaborate programe de achiziţie şi

prelucrare a datelor precum şi programe pentru elaborarea de comenzi în vederea obţinerii

criteriilor de performanţă impuse sistemului de acţionare hidraulic. Programele au fost

elaborate în limbajul ADBasic specific sistemului ADwin-PRO şi în limbajul specific

pachetului de programe TestPoint. Cercetările experimentale au fost efectuate pentru două

tipuri de sisteme de sincronizare a motoarelor hidraulice: sistemul de sincronizare cu motor

conducător şi sistem de sincronizare cu semnal de referinţă comun. Pentru prelucrarea

semnalul de eroare au fost utilizate compensatoare electronice numerice de tipul PI. Au fost

utilizate semnale de referinţă de tip treaptă şi de tip rampă. În figura 4 se prezintă un ecran

de WEB SCADA corespunzător standului pentru sincronizarea servocilindrilor

electrohidraulici.

Fig. 4 Ecran de WEB SCADA corespunzător standului pentru sincronizarea servocilindrilor electrohidraulici

(www.fluid-power.pub.ro/webtest.php)

Experimentele întreprinse conduc la următoarele evaluări obiective.

1. Performanţele sistemului de sincronizare depind de tipul sistemului de

sincronizare, de structura şi de valorile parametrilor de acord ai compensatorului electronic

numeric, precum şi de forma şi mărimea semnalului de referinţă: sistemul de sincronizare

de tipul „cu motor conducător” şi semnal de referinţă de tip „treaptă” introduce erori de

poziţionare a tijelor motoarelor hidraulice mult mai mari decât sistemul de sincronizare de

tipul „cu motor conducător” şi semnal de referinţă de tip „rampă”; sistemul de sincronizare

de tipul „cu semnal de referinţă comun” şi semnal de referinţă de tip „treaptă” conduce la

erori de poziţionare mult mai mari decât sistemul de sincronizare de tipul „cu semnal de

referinţă comun” şi semnal de referinţă de tip „rampă”.

2. Evoluţia în timp a erorii de sincronizare depinde esenţial de forma şi asimetria

forţelor rezistente aplicate tijelor motoarelor hidraulice.

3. Viteza minimă de transfer a informaţiilor între procesul investigat şi sistemul

SCADA depinde de frecvenţa de actualizare a informaţiilor din pagina de web şi de

volumul de date tranzacţionat. Ca urmare, parametrii informatici ai sistemului trebuie

propuşi de beneficiarii sistemului informatic în funcţie de cerinţele reale ale managerilor

centralelor hidroelectrice. În mod normal, aceştia au nevoie de informaţii sintetice pentru a

lua decizii corecte pe baza unor sisteme expert.

4. SOLUŢII DE WEB SCADA REALIZATE CU TEHNOLOGIA UMTS/GPRS

Comunicaţiile mobile pătrund exponenţial în domenii tehnice tradiţionale, precum

managementul energiei. Problemele tehnice ale conducerii echipamentelor energetice sunt

abordate pe scară largă cu mijloace de ultimă oră provenind din tehnologia militară. Efortul

de standardizare a comunicaţiilor fără fir se materializează progresiv prin investiţii în

infrastructură, în scopul extinderii considerabile a ariei de utilizare. Pe plan mondial, în

ultimele două decenii au fost dezvoltate două tehnologii: GPRS (General Package Radio

Service) şi UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Ambele tehnologii

oferă posibilitatea comunicării „spontane” prin INTERNET, prin diferite protocoale şi cu

viteze diferite. Tehnologia GPRS este răspândită practic pe întreg teritoriul României.

Siguranţa în funcţionare, disponibilitatea ridicată şi numărul redus de erori fatale de

comunicaţie au validat utilitatea practică a acesteia. Ca urmare, tehnologia GPRS a fost

promovată în transmisia de date prin sistemul global de comunicaţii mobile (GSM). Banda

de frecvenţă disponibilă poate fi accesată de toţi membrii unei celule GSM. Această

particularitate poate genera probleme de acces datorită restricţiilor impuse de rezervarea

unor canale pentru comunicaţii privilegiate. Staţiile aferente sistemului au posibilitatea de a

utiliza la maximum lăţimea de bandă, realizând un consum de resurse rezonabil.

Arhitectura sistemului GPRS este prezentată în figura 5. În scopul aplicării acestei

tehnologii pentru monitorizarea şi conducerea centralelor hidroelectrice, acestea pot fi

asimilate cu staţii mobile care includ un card GPRS. Acesta le permite funcţionarea în

reţeaua globală de comunicaţii prin INTERNET. Datele furnizate serverului local sunt transferate următoarei staţii de bază (BTS).

Controlerul acesteia realizează codificarea canalului, controlează accesul datelor şi

transferul informaţiei cu ajutorul unităţii de control PCU. Aceasta transmite datele

solicitate din serverul local către serverul din nodul suport SGSN care realizează

comunicarea.

Datele transferate ajung la centrul de comunicaţie mobil MSC care este conectat

prin intermediul protocolului GTP cu modulul suport Gateway GPRS. Acesta reprezintă

interfaţa cu reţelele de date de tipul INTERNET sau protocol X.25 (Datex P). Poarta de

frontieră Gateway BC asigură interconectarea diferiţilor furnizori de servicii.

Cea mai importantă caracteristică a tehnologiei GPRS este lăţimea de bandă

maximă utilizată (cca 50 kBit/s). Aceasta permite o conexiune INTERNET uzuală, cu

volume de date relativ mici. Viteza maximă de transfer este de 171,2 kBit/s, permiţând

realizarea sistemelor de WEB SCADA ale centralelor hidroelectrice. Marele avantaj al

tehnologiei analizate este disponibilitatea operaţională foarte stabilă, iar costul serviciilor

de comunicaţii este rezonabil.

Sistemul UMTS este similar cu sistemul GPRS, dar este mai avantajos în domeniul

comunicaţiilor mobile deoarece viteza de transmisie atinge practic 384 kBit/s. Acest sistem

a fost iniţiat de organizaţia japoneză ARIB şi de organizaţia europeană ETSI, reprezentând

a treia generaţie de sisteme de comunicaţii mobile.

Sistemul UMTS va înlocui sistemul GSM, devenind singurul sistem de

telecomunicaţii de bandă largă. Baza tehnică a sistemului o constituie transmiterea

pachetelor de date cu protocolul INTERNET IP. Acesta asigură funcţionarea eficientă a

reţelelor de bandă largă, permitând furnizarea unor servicii foarte diferite: videoconferinţe,

jocuri interactive, navigare pe INTERNET, servicii financiare, poştă electronică, comerţ

electronic, transmisii TV şi radio etc.

Înlocuirea sistemului GSM va începe progresiv, prin coexistenţă cu sistemul

UMTS. Arhitectura reţelei este construită pe tehnologia AN (Access Network), cu staţii

mobile şi fixe deservite de o reţea nucleu constituită pe tehnologia standard GSM şi GPRS.

Fiecare reţea radio are propia arie de emisie şi recepţie numită Radio Access Network

(RAN). În interiorul acestei reţele se pot utiliza diferite frecvenţe sau protocoale de

comunicaţie. Această structură este numită UTRAN (UMTS Terrestrial RAN).

Componenta GSM a acestei structuri se numeşte GSM / GERAN şi susţine staţia de bază

BTS, precum şi controlerul BSC menţionat mai sus. În sistemul UTRAN aceasta este staţia

de bază Node_B. Combinaţiile de staţii de bază sunt controlate prin reţeaua radio RNC

(Radio Network Controller). Controlerele sunt conectate în cadrul UMTS.

Comunicaţiile dintre reţelele mobile şi cele fixe sunt controlate prin componenta

GMSC Gateway. Traficul de date orientat pe pachete este coordonat de componenta SGSN,

iar rutarea se realizează prin GGSN. Acestă arhitectură de reţea permite conectarea flotantă

între tehnologiile UMTS şi GSM / GPRS (fig. 6).

În prezent, sistemul UMTS este disponibil numai pentru o parte a teritoriului ţării

noastre, ceea ce face dificilă utilizarea funcţiilor de nivel înalt. Teoretic, viteza de transfer a

sistemului UMTS este de 2MBit/s; în practică, aceasta nu depăşeşte 384 kBit/s. Ca şi în

cazul sistemului GPRS, toţi membrii incluşi în aria de comunicare trebuie să utilizeze

împreună aceeaşi bandă largă, limitând astfel viteza de comunicaţie.

Tehnologiile UMTS şi GPRS sunt caracterizate printr-un înalt nivel de securitate.

Informaţia este transferată codificat, astfel că un atac informatic necesită o calificare înaltă.

Comunicaţia poate fi afectată de pătrunderea hackerilor în serverul staţiei de bază BTS.

Acesta impune o codificare de nivel înalt şi o securitate sporită în teritoriu. Lungimea

minimă a unei parole de acces este de 10 caractere (litere şi cifre).

În cazul S.C. HIDROELECTRICA S.A., tehnologia UMTS / GPRS permite un

nivel de securitate satisfăcător dacă sensul informaţiilor este unic (de la aplicaţie către

serverul societăţii). Acest aspect a fost verificat de autori în cadrul unui sistem WEB

SCADA realizat pentru monitorizarea on-line a deformaţiilor porţii plane cap intermediar

de la SHEN Porţile de Fier I.

Singura completare a serverului PHP/Apache / MySQL este un card de comunicaţie

UMTS / GPRS. Această structură asigură un nivel de securitate informatică acceptabilă.

Fig. 5 Arhitectura tehnologiei GPRS

Fig. 6 Architectura reţelelor UMTS

4. CONCLUZII

Lucrarea de faţă prezintă o soluţie originală, simplă şi robustă, de sistem de

comunicare on-line între unităţile de producţie şi unitatea de management centrală din

cadrul S.C HIDROELECTRICA SA. Sistemul propus oferă posibilitatea recepţionării în

timp real a datelor esenţiale privind regimul funcţional şi producţia de energie a fiecărui

hidroagregat, precum şi posibilitatea stocării şi prelucrării de nivel înalt a datelor necesare

interfaţării S.C. HIDROELECTRICA S.A. cu unităţile de coordonare şi control energetic

de nivel naţional.

Validarea sistemului de comunicare propus a necesitat următoarele activităţi:

- achiziţionarea unor echipamente hidraulice, mecanice, electrice şi electronice de înaltă

calitate, specifice aplicaţiilor industriale de mare fiabilitate;

- construirea în cadrul Laboratorului de Acţionări Hidraulice şi Pneumatice a unei instalaţii

de structură, complexitate şi mărime similară celor specifice centralelor hidroelectrice de

putere medie şi mare;

- achiziţionarea unor pachete de programe performante, adecvate securităţii informatice

necesare centralelor hidroelectrice;

- programarea şi realizarea unor experimente constând din achiziţia şi prelucrarea unor date

specifice reglării parametrilor funcţionali ai turbinelor KAPLAN şi transmiterea securizată

a acestora prin INTERNET sub formă de pagini web accesabile prin parole adecvate;

- verificarea preciziei şi fiabilităţii sistemului informatic prin folosirea de durată, fără

corecţii sau schimbări structurale.

Stabilitatea şi repetabilitatea sistemelor de monitorizare realizate şi experimentate în

cadrul lucrării corespund exigenţelor unui obiectiv de importanţa celui considerat.

Vizualizarea rezultatelor prin INTERNET cu sistemul UMTS/GPRS dovedeşte fezabilitatea

soluţiei de WEB SCADA propusă în prezenta lucrare.

Activitatea de management bazată pe cunoaşterea în timp real a situaţiei de la

nivelul unităţilor de producţie reprezintă o necesitate reală identificată şi tratată cu toată

seriozitatea de marile companii energetice. Principiile moderne de interconctare expuse în

bibliografia consultată [1-21] stau şi la baza sistemelor de comunicare realizate în această

lucrare. Adoptarea tehnologiei UMTS pentru realizarea bursei de energie în ţări avansate

precum GERMANIA constituie un argument pentru continuarea cercetărilor în sensul celor

prezentate.

În ansamblu, comunicarea evidenţiază atât facilităţile cât şi limitele sistemelor de

achiziţie de date realizate prin INTERNET pentru centralele hidroelectrice.

5. BIBLIOGRAFIE

[1] Heuck, K., Dettmann, K.D., Elektrische Energieversorgung, Vieweg Verlag, 2002 [2]***Energietechnik, 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 1993 [3]***Bedeutung der Spannungs-und Frequenzabhängigkeiten von Lasten im Netzplanung und Netzbetrieb. ETZ Arciv 7, 1985, p. 11-15. [4]***Hütte, Elektrische Energietechnik, Band 3, Netze, Springer Verlag, Berlin 1988 [5] Dirk Schreiber, Seminar Web Intelligenz, RWTH Aachen, June 2002 [6] Anupriya Ankolekar et.al., DAML-S: Web Service Description for the Semantic Web, ISWC 2002. [7] Wolfgang Gerke, Der Stromhandel, FAZ-Institute, 2000 [8] Kurzweil, R., Homo Sapiens Im 21 Jahrhundert, Goldmann, München 2000 [9] Walras, L. Éléments d’économie politique pure: ou théorie de la richesse sociale. Economica, Paris, 1998 [10]***Building Agent Models in Economic Societies of Agents, Agent Modeling Workshop, AAAI, 1996 [11] Miller, K., Drexler, T., Market and Computation, Elsevier Science Publishers BV North Holland, 1988 [12] Kurose, J.F., Simha, R., A micro economic approach to optimal resource allocation distributed computer systems, IEEE Transactions on Computers 38, 1989, p. 705-717 [13] Wellmann M. P., A market orientated programming environment and its application to distributed multicommodity flow problems, Journal of Artificial Intelligence Research 1, 1993, p. 1-23 [14] Kieser A., Kubicek, H., Organisation. Berlin, New York: Walter de Gruyter 1992 [15] Eymann, T. Avalanche – ein agentenbasierter dezentraler Koordinationsmechanismus für elektronische Märkte. Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2000 [16] Krallmann, H., Kommunikations Struktur Analyse, Technische Universität Berlin, 1989 [17] Wanner, M.M., Information Technologies in Energy Management. 1st PhD Thesis Report, University POLITEHNICA of Bucharest, Fluid Power Laboratory, 2005 [18] Sackmann, S. Bilaterale Preisverhandlungen von Software Agenten, Deutscher Universitätsverlag, Juli 2003 [19]***DIET Multi Agent Platform, http://diet-agents.sourceforge.net, 2004 [20] Bonsma, E. DIET Agents Tutorial, Revision 1.26, 2004 [21] Wanner, M.M., Modeling and Simulation of the Information Systems used in Energy Management. 2nd PhD Thesis Report, University POLITEHNICA of Bucharest, Fluid Power Laboratory, 2005