automatizari · 2020-01-31 · pachetului si punctul de sosire. un protocol obișnuit de rețea...

AUTOMATIZARI

S.l.dr.ing. Nicoleta ARGHIRA

Prof.dr.ing. Sergiu Stelian ILIESCU

http://shiva.pub.ro/cursuri/automatizari/

Durata Aplicaţii Bibliografie

PARTEA I. SISTEME DE REGLARE AUTOMATĂ

1.Reglarea automată a frecvenţei şi puterii active (RAf-P) în sistemele

electroenergetice (SEE)

2.Reglarea automată a tensiunii şi puterii reactive (RAT-Q) în SEE

PARTEA a II-a. SISTEME DE COMANDĂ AUTOMATĂ

3.Anclanşarea automată a Alimentării de Rezervă (AAR)

4.Reanclansarea Automată Rapidă (RAR) pe liniile de energie electrică

5.Descărcarea Automată de Sarcină la scăderea tensiunii (DAS-U<) şi la scăderea

frecvenţei (DAS-f<)

6.Pornirea automată a grupurilor generatoare din centralele hidro-electrice

7.Sincronizarea automata

8. Sisteme de comunicatie in energetica

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU

Automatizari– Cuprins curs

2/

Cuprins

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 3

1 SISTEM DE COMUNICAȚIE

1.1 Modelul unui sistem de comunicație

1.2 Conținutul de informație

1.3 Comunicație serială vs paralelă

2 COMUNICAȚII ÎN MEDIUL INDUSTRIAL

2.1Arhitectura rețelelor de comunicații în mediul industrial

2.2 Metode de comunicatie

3 Modelul de referinta ISO/OSI (Open Systems Interconnection) al unei retele locale

3.1 Definire OSI

3.2 Protocoale de comunicații

3.3 Standarde de comunicații

4 Comunicații în energetică

4.1 Data transmise

4.2 Standardul IEC61850

5 Aplicatie – sistem de comunicatii in statia electrica

2.2. Arhitectura rețelelor de comunicații în mediul industrial

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 4

Statie

operator

Statie

inginerie

PLC RTU1

RTU1 RTU2

PLC

Magistrala de control

Magistrala de camp

Nivel

de camp

Nivel

conducere

Nivel

supervizare

I/E

direct

traductor

elem. de ex.

Echipamente

primare

Celule

Stație

2.2. Arhitectura rețelelor de comunicații în mediul industrialNivelul proces (camp):

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 5

Nivelul de câmp este cel la care schimbul de informații se face direct cu procesul: achiziția de date de la traductoare și distribuția de comenzi spre elementele de execuție

Echipamentele de camp sunt conectate intre ele pe o magistrala seriala numita magistrala de proces sau magistrala de camp –FIELDBUS.

PROFIBUS - PROCESS FIELD BUS este o norma industriala germana pentru elaborarea intr-o conceptie unitara a comunicatiei in intreg spectrul de aplicatii de la nivelul proces, independent de un proces de fabricatie (aplicatie) anume.

2.2. Fieldbus - Avantaje

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 6

2.2. Arhitectura rețelelor de comunicații în mediul industrialNivelul de conducere

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 7

Nivelul de conducere integrează echipamentele care realizează controlul procesului ( PLC-uri, RTU-uri, calculatoare de proces etc.), iar magistrala de control este una de bandă largă., cu viteze de min. 10 Mb/s

Protocoale utilizate: Ehernet, Modbus

2.2. Arhitectura rețelelor de comunicații în mediul industrialNivelul de supervizare

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 8

Nivelul de supervizare transmite datele pe distanțe foarte mari, transferul de date are loc la intervale mari de timp.

3. Metode/Topologii de comunicatie❑Master-slave

❑Token-Ring

❑Ethernet

❑Peer-to-peer

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 9

3. Metode de comunicatie❑Master-slave:

- tot traficul de date trece prin ”master” (PLC, RTU etc);

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 10

3. Metode de comunicatie❑Token-Ring : transmiterea datelor in rețeaua de tip inel se face pe baza unui mesaj tip numit ”token”. Doar nodul care deține token-ul poate comunica la un anumit moment de timp.

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 11

3. Metode de comunicatie❑Ethernet: comunicație între un calculator și alte elemente de rețea. Nodurile de rețea pot comunica între ele atâta timp cât rețeaua nu este ocupată. Altfel, mesajul va fi retransmis cand rețeaua este liberă (timp de așteptare <1 s).

❑Vitezele de transmisie prin Ethernet sunt mari (100 Mbps)

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 12

3. Metode de comunicatie❑Peer-to-peer

- Toate nodurile de rețea pot comunica între ele

- PLC-urile pot schimba date, impart intrarile și ieșirile

- permite redundanță și “inteligență distribuită”

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 13

3. Modelul de referinta ISO/OSI (Open Systems Interconnection)

Provocările care au condus la standardizarea unei infrastructuri pentru comunicațiile între echipamente sunt:

- necesitatea sincronizării temporale a echipamentelor;

- existența aceluiași cod/limbaj de comunicație;

- rejectarea perturbațiilor pe canalele de transmisie a datelor;

- utilizarea acelorași protocoale de comunicație

In conceptia OSI, se face o diviziune a procesului de transmitere a datelor pe 7 nivele. Fiecare din cele 7 straturi definește modul de tratare al datelor pe fiecare etapă de transmisie.

Fiecare nivel oferă un set de servicii de comunicatie nivelului următor utilizand serviciile furnizate de nivelul anterior.

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 14

3.1. Definirea modelului de referinta OSIModelul ISO cu cele 7 nivele

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 15

3.1. Definirea modelului de referinta OSI

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 16

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 1: Fizic

- Se referă la mediul fizic de transmitere a datelor (cabluri, fire, fibra optica, unde electromagnetice – wireless etc),

- Nivelul fizic specifică tipul de mediu utilizat pentru transmiterea datelor intre echipamente, tipul de conectori, nivelele de tensiune si curent utilizate

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 17

Exemple de medii de comunicație:

- UTP (Unshielded Twisted Pair)

- STP (Shielded Twisted Pair) – uzual

in statii electrice

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 2: Conexiune de date

Data link (conexiune de date) asigură controlul legaturii logice (LLC -Logical link control) care consta in asamblarea si dezasamblarea secventelor binare in pachete numite cadre (frame) si detectarea, eventual si corectarea, erorile de comunicație.

MODUL CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 18

Cadrele de date conțin datele propriu-

zise și informații de control cu privire

la transmisie (ex. start si stop mesaj).

Un protocol obișnuit pentru conexiune

de date este Ethernetul. Acesta este

utilizate pe echipamente compatibile

(ex. switch-uri)

Exemplu de cadru de date

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 3: Rețea

Asigura retransmiterea si rutarea pachetelor de date prin retea. La acest nivel se gestioneaza tabele de rutare pentru a optimiza traficul prin retea si pentru a evita congestionarea retelei.

MODUL CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 19

Pachetele de date conțin cadrele la care se adauga punctul de start al

pachetului si punctul de sosire.

Un protocol obișnuit de rețea este IP (Internet Protocol).

Un echipament care funcționeaza la acest nivel de rețea este router-ul.

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 4: Transport

- Asigura transparenta pentru nivelurile superioare (orientate spre aplicatie) a tuturor mecanismelor si detalilor cerute de implementarea serviciilor de transfer al informatie in conditii de siguranta si de numeroasele limitari impuse de cele trei niveluri de jos.

- Se pot face verificari de erori, corecturi si ordonarea pachetelor.

Un protocol complex utilizate de nivelul de transport este TCP (Transmission Control Protocol).

Echipamentele care funcționeaza la acest nivel se află la capetele căii de transmisie, de obicei calculatoare sau IED ( în stația electrică).

MODUL CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 20

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 5: Sesiune

Asigură mecanisme pentru organizarea si structurarea dialogului dintre aplicații intr-un numar de unitati si subunitati independente, furnizand servicii pentru crearea si gestiunea canalelor de comunicatie virtuale.

Exemple de operațiuni desfășurate la nivel de sesiune:

- procedurile login si logout,

- controlul directionalitatii canalului,

- sincronizarea si resincronizarea fluxului de date schimbate pe canal.

- monitorizarea sistemului.

MODUL CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 21

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 6: Prezentare

Asigura transformarea datelor schimbate pe canalul de comunicatie in reprezentarea proprie aplicatiei. Transformarile pot include tehnici de compresie, criptare, autentificare pentru a asigura protectia informatiei rezervate la interceptari neautorizate din greseala sau intentionate.

Exemplu: cod ASCII (reprezentare pe 8 biți)

MODUL CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 22

A = 01000001

? = 00111111

3.1. Definirea modelului de referinta OSI- Nivelul 7: Aplicație

Contine serviciile la care are acces direct procesul aplicatie, utilizatorul final al retelei. Natura acestor servicii depinde de tipul particular al aplicatiei considerate.

Protocoale de aplicație:

• file transfer protocol (FTP),

• hypertext transfer protocol (HTTP),

• post-office protocol 3 (POP3),

• simple mail transfer protocol (SMTP).

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 23

3.2. Protocoale de comunicații

Modelul OSI subliniază necesitatea compatibilității la toate nivelele între IED-uri în stațiile electrice.

Nivelul fizic poate utiliza mai multe protocoale, dintre care se mentioneaza:

➢RS 232 (EIA 232)

➢RS 485 (EIA 485)

➢Ethernet

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 24

3.2. Protocolul de comunicații RS 232

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 25

Item Details

Max. number of transmitters 1

Max. number of receivers 1

Connection type 25 core shielded

Mode of operation DC coupling

Maximum distance of

transmission

15m

Maximum data rate 20kbits/s

Transmitter voltage 5V min, 15V max

3.2. Protocolul de comunicații RS 485

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 26

Item Details

Max. number of transmitters 32

Max. number of receivers 32

Connection type Shielded twisted pair

Mode of operation Differential

Maximum distance of transmission 1200m

Maximum data rate 10Mbits/s

Transmitter voltage 1.5V min

3.2. Protocolul de comunicații Ethernet

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 27

- A devenit un standard care definește conexiunea echipamentelor numerice la rețelele locale (LAN).

- Vitezele de transmisie pot ajunge la 10Mbps, 100Mbps sau 1Gbps

- Utilizarea Ethernet prin cabluri de fibră optică asigură viteză foarte mare și rejecția perturbațiilor (zgomotelor pe canal).

3.3. Standardul de comunicații Fieldbus

- poate procesa multe date de proces cu intarziere limitata (1ms-1s)

- transmite date in afara timpului real pentru diagnoza

- functioneza in conditii critice (vibratii, perturbatii electromagnetice, mediu umed, cu salinitate ridicata)

- Instalare rapida si robusta de catre personal specializat

- integritate ridicata (depistarea tuturor erorilor)

- sincronizarea timpului (milisecunde- microsecunde)

- costuri de instalare scazute (5-50 €/nod)

- viteze de transmisie moderate (50 kbit/s - 5 Mbit/s)

- transmisie pe distante mari (10m - 4 km)

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 28

3.3. Fieldbus - Avantaje

- reduce cablarea

- creste modularitatea procesului (fiecare obiect are propria unitate de control/computer)

- intretinere facila si detectia usoara a erorilor

- simplificarea punerii în funcțiune

- modernizarea si extinderea sistemului este facila

- Sisteme de control modulare, usor de construit prin echipamentele standard

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 29

3.3. Fieldbus – tipuri/clasificare

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 30

3.3.Piața protocoalelor Fieldbus - 2018

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 31

3.3. Standardele Profibus vs Profinet

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 32

4. Comunicatii in energetica4.1. Date transmise

Ce date sunt transmise?

- alarme (1s),

- comenzi (1s)

- date de stare asupra echipamentelor (2 s)

- date de interblocare (5-100 ms)

- declansari din protectii (3 ms)

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 33

5. Comunicatii in energetica5.2. Standardul IEC61850 – necesitate si avantaje

Schimbul de date între două echipamente (de protecție, de control, etc.), provenite de la furnizori diferiți, se efectuează prin intermediul funcțiilor şi al nodurilor logice comune în sistemul de configurare al acestora.

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 34

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850

Prin acest standard se definește modul de adresare a datelor şi interfața din spațiul virtual în spațiul real și permite schimbul de informații între IED-uri. Este format din:

- un model de date care definește nodurile logice (LN),

- servicii de schimb de date (Abstract Communications Service Interface or ACSI) aferente rețelelor de comunicatie (MMS, TCP/IP si Ethernet).

Componente IEC 61850:

• IEC 61850-90-1 comunicatii intre stații

• IEC 61850-90-2 comunicatii intre stație și dispecer/centru de control

• IEC 61850-90-6 comunicații in interiorul stație

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 35

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – structura

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 36

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – structura

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 37

- Sampled Values (SV) – valorile eșantion sunt transmise prin

Ethernet, asigurand schimbul de date ciclic si rapid pentru masurile

de curent si tensiune aferente echipamentelor de protectie si control.

Se inlocuiesc astfel cablajele clasice (analogice).

-GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event) este utilizat

pentru transmiterea evenimentelor critice in timp real (ex. comenzi de

declanșare) între 2 sau mai multe IED-uri, prin Ethernet.

- Pentru configurarea echipamentelor, setarea parametrilor,

monitorizare se utilizează mesaje TCP/IP care utilizează ca nivel de

date MMS (Manufacturing Messaging Service)

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – transmiterea mesajelor

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 38

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – transmiterea mesajelor

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 39

Model de transmisie a datelor ( un obiect)

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – transmiterea mesajelor

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 40

Nume/ adresa ( un obiect) GOOSE

4. Comunicatii in energetica4.2. Standardul IEC61850 – transmiterea mesajelor

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 41

BibliografieD. Hossu, “Sisteme de transmitere a datelor cu aplicatii in energetica”; Bucureşti, Ed. PRINTECH, ISBN 978-973-718-872-4; numar de pagini 151; 2007

https://www.anybus.com/about-us/news/2018/02/16/industrial-ethernet-is-now-bigger-than-fieldbuses, accesat la 10.12.2018

R. Dobrescu, ”Transmiterea datelor”, ed. Academiei Române, ISBN 973-27-1139-6, 2005

Michael J. Hamill, Industrial Communications and Control Protocols, PDH Online, 2015

https://www.profibus.ie/wp-content/uploads/2018/02/PB-vs-PN-and-migration-strategies.pdf

Samitier, Carlos (Ed.), Utility Communication Networks and Services, Cap. 2 IEC61850 Communication Model, ed. Springer, 2017

MODUL 8_CI - AUTOMATIZARI - N. ARGHIRA/S.ST. ILIESCU 42