Telecontrollo con soluzione PLC GPRS Manager per le reti di Pubblica Utilità.

Transcript

1 AssoAutomazione AWARD Scenari futuri Reti di comunicazione Telecontrollo con soluzione PLC GPRS Manager per le reti di Pubblica Utilità. Case history di un automazione distribuita per il monitoraggio/controllo della risorsa idrica e per la prevenzione di esondazioni. Relatori: Ing. Michele Frare Responsabile Divisione Factory Automation Ing. Simone Recchia Responsabile Ufficio Tecnico Dott. Tamellini Davide Product Manager PLC Ing. Agostinelli Vittorio Product Manager SCADA 14-15/10/09 Pagina 1 di 26

2 1. Introduzione e cenni relativi alla tecnologia GPRS La soluzione di automazione e telecontrollo a base PLC (Programmable Logic Controller) tema della presente memoria ha il merito di aver saputo coniugare, nell'ambito della gestione della risorsa idrica e di prevenzione di eventi critici, l'applicazione di moderne strategie di telecontrollo e supervisione garantendo una "morbida" conversione dalla precedente tecnologia utilizzata: il passaggio dal GSM al GPRS con la trasparente gestione degli indirizzi IP, l'utilizzo di protocollo standard di comunicazione, l'indipendenza della Public Utilities da servizi terzi di gestione delle proprie informazioni, sono alcune caratteristiche applicative che hanno migliorato la trasparenza del flusso di dati tra i vari livelli, il monitoraggio puntuale degli impianti distribuiti, l'efficacia della capacità di reazione agli eventi. La particolare implementazione di telecontrollo wireless scelta è nata dall'esigenza di una valorizzazione del binomio "processo" - comunicazione remota, che sapesse garantire un innovativo approccio alla problematica della disponibilità del dato remoto e del servizio a qui il dato è correlato. La vivace dialettica tra fornitore del sistema di controllo/telecontrollo, integratore e utilizzatore della tecnologia, ha permesso di individuare un'architettura molto operativa e al contempo pronta per le prossime evoluzioni che questo tipo di approccio ha già fatto intravvedere. Diverse sono infatti le metodologie possibili nel telecontrollo wireless, ciascuna improntata a cogliere esigenze diverse in termini di affidabilità, tempi di reazione, sicurezza, continuità, costo, volume e frequenza dei dati da gestire. Innanzitutto un primo bivio che si presenta all utilizzatore è quello tra telecontrollo con tecnologia Rtu e telecontrollo a base Plc, dove il primo è tipicamente visto come dispositivo puramente dedicato alle funzione di datalogging e comunicazione remota, mentre il secondo a queste aggiunge il controllo vero e proprio dell automazione/processo; il maggiore vantaggio 14-15/10/09 Pagina 2 di 26

3 del Plc si evidenza nella sua flessibilità e adattabilità alle diverse esigenze nonché alla semplificazione della topologia tra reti di comunicazione locali (fieldbus) e remote. In questa applicazione l utilizzatore ha optato per il Plc sia per la ragioni sopra enunciate sia per la garanzia di poter disporre di una intelligenza integrata che coniugasse gli algoritmi del campo a quelli della comunicazione remota. Una seconda scelta affrontata è nella particolare tecnologia wireless adottata. Tralasciando la tecnologia ponte radio per il carattere relativamente locale della comunicazione e per la pesante infrastruttura necessaria, le opzioni che si presentano all utilizzatore sono fondamentalmente tra rete GSM e rete GPRS. Il GSM è la tecnologia più adatta quando il carattere della informazione da trasmettere si limita a una quantità ridotta di dati trasmessi, a una bassa ciclicità e soprattutto a una semplificazioni dei servizi disponibili (in particolare dial up ed sms ) Il GPRS offre la possibilità di gestire un importante mole di dati con la sua velocità di trasmissione di un ordine di grandezza superiore al GSM, permette una prontezza real time grazie alla sua modalità sempre on line, garantisce una soddisfacente disponibilità tramite una copertura sovrapponibile a quella della rete GSM, apre al mondo della Information Technology e dei relativi servizi grazie alla sua connettività basata su Ethernet (nella sua implementazione TCP/IP). I vantaggi del poter connettere la macchina/impianto in wireless internet, permette non solo di poter raggiungere dalla postazione centrale o dalla rete la stazione remota al costo della connessione internet, ma anche di poter inviare con file allegati.csv contenenti il datalogging d impianto, collegarsi da remoto al Plc con i tool di programmazione, effettuare la supervisione d impianto tramite software Scada, visualizzare e interagire con l impianto tramite pagine HTML ed oggetti Java direttamente sul proprio browser (per esempio Internet Explorer), pubblicare i dati d impianto in formato standard XML, implementare 14-15/10/09 Pagina 3 di 26

4 comunicazione M2M tramite protocollo client/server ModbusTcp, comunicare secondo il protocollo standard del telecontrollo IEC ,. Per queste a altre articolate esigenze dell utilizzatore, di cui parleremo nel seguito, la scelta nelle applicazione in questione è ricaduta sulla tecnologia GPRS. Scelta l infrastruttura di comunicazione, ci si è posti quindi la domanda in merito a quale strategia di comunicazione GPRS adottare. Sono infatti diverse le modalità di connessione praticabili, ciascuna rispondente a criteri operativi e scelte strategiche aziendali diverse: se per esempio la stazione centrale deve interloquire con una stazione remota deve conoscerne il suo indirizzo IP, così come se è utilizzato un particolare protocollo di comunicazione, ci si deve accertare se la particolare porta correlata a quel indirizza IP sia o meno aperta. Ad oggi il mercato dei provider di servizi internet offre soluzioni a IP dinamico, essendo esaurita la disponibilità di indirizzi IP statici, che comportano il cambiamento dell indirizzo IP ad ogni disconnessione del modem dalla rete GPRS (che avviene o per shut down da parte del controllore della connessione, il Plc, o per fisiologica e temporanea disconnessione/connessione della cella GPRS che gestisce il servizio); inoltre non tutti i provider offrono la possibilità di indirizzi IP pubblici (in gergo pingabili ) e di porte aperte. Da queste sintetiche considerazioni si evidenzia come dalla scelta del provider e del metodo di connessione ne discendano conseguenze tecniche e operative molto significative. Diamo in questa sede un breve excursus di alcune metodologie, con vantaggi e svantaggi, al fine di inquadrare meglio anche la scelta poi fatta nell applicazione tema della presente: - tecnica che permette alla o alle stazioni centrali di conoscere l indirizzo IP corrente delle stazioni remote tramite da queste ricevuta, ad ogni cambio di indirizzo IP, e contenente l informazione numerica sui quattro campi che contraddistinguono l indirizzo. Soluzione che ha il merito della semplicità implementativa e di una buona autonomia dal 14-15/10/09 Pagina 4 di 26

5 provider di servizi, lo svantaggio pero di dover prevedere un numero limitato di utenti destinatari della (per alcune P.U. questa potrebbe essere però una esigenza), e del doversi affidare al servizio di mailing che necessita da parte dei sistemi centrali di una certa elaborazione del dato per poter garantire una gestione automatica della dinamica di cambiamento del indirizzo IP. Rete VPN: in questo caso ci si appoggia al servizio fornito da un provider che individua un gruppo di utenti appartenenti a una Virtual Private Network ciascuno individuabile dagli altri da un indirizzo IP valido staticamente all interno del gruppo. Vengono in questo modo superati i problemi di indeterminazione dell indirizzo IP ed inoltre risulta semplice l implementazione (una sorta di Lan), la contropartita pero è il costo del servizio VPN (che si aggiunge ai costi di comunicazione), il gruppo di utenti limitato (nel bene e nel male), la dipendenza dal provider di servizio Protocollo FTP: il Plc remoto con opportuni comandi AT al modem GPRS dotato di stack TCP/IP puo scrivere e leggere, in qualità di Client, su files del Server centrale. Alta l autonomia dal Provider, per contro la comunicazione e i servizi sono non trasparenti a causa della necessità di implementare i comandi ascii tra Plc e modem; è necessaria inoltre la disponibilità di un indirizzo fisso della stazione centrale (Server). Http Server proprietario: tutta la rete di nodi remoti viene gestita da un server di proprietà dell utilizzatore che gestisce gli indirizzi IP dinamici e reindirizza opportunamente le richieste provenienti dalla rete e richiedenti domini tipo L autonomia è massima, per contro la difficoltà implementativa e i costi di gestione rappresentano il rovescio della medaglia. Central Internet Service: tecnica che consiste nello sfruttare Server e servizi disponibili in Rete. Ne citiamo due particolarmente interessanti quali: 14-15/10/09 Pagina 5 di 26

6 - Utilizzo del servizio offerto da che permette di associare un nome fisso ad un indirizzo IP variabile (Update dyndns Internet server) - l utilizzo di uno spazio WEB che supporti file php e generazione di una pagina html dinamica al cui interno è presente l indirizzo IP dinamico corrente (Log on to a Internet server type) Tutte le tecniche descritte rappresentano le diverse possibilità di "compromesso" tra le esigenze, a volte conciliabili altre volte meno, dell'utilizzatore in termini di dipendenza dal provider, plug&play, chiusura/apertura alla rete, completezza funzioni/servizi, costi,... La scelta attuata nell'applicazione tema della presente ha l'originalità di mediare in modo molto efficace tra le "specifiche" di telecontrollo wireless dell'utilizzatore; la definizione data alla tecnologia è quella di Plc-GPRS-Manger. Dopo questa introduzione che rappresenta sia una sintetica premessa alla tecnologia di telecontrollo implementata, sia il percorso tecnologico che ha condotto alla scelte operative dell utilizzatore, andremo ora a descrivere nel dettaglio l applicazione e gli strumenti di controllo e telecontrollo, hardware e software, utilizzati /10/09 Pagina 6 di 26

7 2. Aspetti generali dell applicazione La crescente attenzione alla tutela dell ambiente ed all utilizzo consapevole della risorsa idrica sono oggigiorno aspetti di rilevanza indiscutibile che spesso si accompagnano alla necessità di saper garantire la sicurezza di coloro che vivono in zone adiacenti a bacini idrici, chiuse di fiumi o di canali di drenaggio ivi connessi. Si pensi ad esempio alla conformazione geografica del bacino dell alto Mincio, in cui sono presenti diversi presidi intermedi che servendosi di opportune paratie controllano il livello dei laghi della zona di Mantova. (Fig. 1) Mincio PO Fig. 1 Layout bacino altomincio Gli obiettivi da conseguire sono: evitare esondazioni incontrollate del livello del fiume e dei canali, con ben prevedibili danni alle attività socio economiche ed alla popolazione circostante, garantire il livello appropriato dei canali di irrigazione e gestire in modo ottimizzato ed oculato la preziosa risorsa idrica del Garda, che negli anni ha visto purtroppo una sensibile riduzione della portata media e che quindi necessita di opportune contromisure ed azioni di tutela. Sino a qualche anno addietro questo delicato e critico processo era eseguito in modo completamente manuale, in locale, nelle singole stazioni (presidi), con le 14-15/10/09 Pagina 7 di 26

8 ovvie problematiche connesse. La regolazione manuale era, infatti, delegata principalmente all esperienza dell operatore e quindi, la bontà e la sicurezza dei controlli fatti, erano indissolubilmente legate all operatore con possibilità di disfunzioni in caso di periodi di ferie o malattia dello stesso. Vi erano inoltre possibilità di controlli non sincroni tra i vari bacini con conseguente non adeguatezza dei limiti minimi necessari all irrigazione. Infine il presidio era tipicamente fatto solamente in orari lavorativi, a volte suddivisi in turni, non garantendo comunque il controllo H24 nonostante gli alti costi di gestione associati. La probabilità di errore umano era sempre presente. Si è quindi deciso di attuare una soluzione d automazione che non solo permettesse la regolazione automatica delle paratie, sia da locale sia da remoto, ma che garantisse la gestione dell interno sistema di chiuse tarando in modo opportuno il deflusso tra due presidi adiacenti. L obiettivo più semplice da conseguire, era quello di convertire l esperienza umana in logica di automazione che avrebbe permesso la prevenzione delle escursioni incontrollate del livello del fiume e dei canali, garantendo l afflusso minimo di acqua nei bacini destinati ad alimentare i tradizionali canali di irrigazione delle coltivazioni circostanti. Vista la dislocazione geografica (estesa) del comprensorio Mantovano è emersa la necessità di predisporre uno SCADA centralizzato, in modo da poter acquisire, in ogni momento, lo stato dell intero sistema, comunicando e ricevendo informazioni da ogni singola stazione, ed intervenendo direttamente ed in tempi rapidi qualora si presentino potenziali situazioni di attenzione od allarme. La supervisione centralizzata consente inoltre di raccogliere dati per successive analisi statistiche, datalogging e storicizzazioni. Grazie alla funzionalità WEB Client i dati raccolti possono essere consultabili da parte di operatori esterni mediante comuni WEB Browser ed in un secondo momento la logica implementata potrà essere ottimizzata considerando l output dello storico prodotto, consultabile in base ad una predefinita politica di accessi anche via Internet /10/09 Pagina 8 di 26

9 In locale, nei singoli presidi, si sono utilizzati controllori a logica programmabile. Il sistema ha una doppia finalità, da un lato è eseguire la regolazione automatica delle paratie dei singoli presidi, dall altro garantire la comunicazione dalla periferia al sistema centralizzato; questo ha spinto alla scelta di controllori a logica programmabile (PLC), abbinati a moduli di trasmissione wireless, che offrono, rispetto alle tradizionali RTU, orientate maggiormente alla gestione della comunicazione ed al datalogging, elevata flessibilità, adattabilità, implementazione di algoritmi di controllo di campo e gestione sicura e funzionale della comunicazione. Come già affrontato nel capitolo precedente, al fine di garantire una costante ed affidabile comunicazione tra la periferia e la supervisione, si è deciso di impiegare modem GPRS. Tale tecnologia permette una copertura geografica estesa, mantenendo un ottimo livello di performance, riducendo i costi di gestione, se comparata alle soluzioni GSM /SMS, in quanto si paga solamente il traffico prodotto e non il tempo di connessione ed offrendo un canale sempre aperto. Dal lato software la sfida principale è stata il saper trovare il giusto compromesso nel garantire il minimo deflusso indispensabile ai canali di irrigazione sapendo di volta in volta gestire l eventuale acqua eccedente questa quota; la regolazione automatica del software, tramite opportuni Set Point, e la taratura dell intero complesso, costituiscono quindi il cuore e la mente dell intero sistema di gestione delle paratie. Il sistema è predisposto per poter funzionare sia in modo automatico che manuale, infatti, oltre all impostazione della regolazione automatica, effettuabile sia da locale, mediante il software plc, sia da remoto, per mezzo della supervisione, si è deciso di mantenere anche il potenziale funzionamento in modalità manuale (in locale) al fine di poter intervenire in casi eccezionali, lasciando all operatore ed alla sua esperienza la conduzione della regolazione dei livelli. Quindi, partendo da un sistema completamente manuale e frammentato si è arrivati ad ottenere una 14-15/10/09 Pagina 9 di 26

10 struttura fortemente integrata ad automatizzata, facilmente gestibile e manutenibile anche da remoto. L intelligenza dell automazione realizzata non è quindi riconducibile ad una pura e semplice esecuzione di un processo, ma diventa una gestione consapevole e responsabile di una risorsa e di un bene comune destinato non solo a fruitori immediati ma anche a quelli futuri. Infine, vale la pena rilevare che le soluzioni di comunicazione e di supervisione utilizzate consentono ampi margini di sviluppo e miglioramento, con upgrade che nel prossimo futuro consentiranno al sistema di seguire i trend tecnologici con potenziali miglioramenti in efficienza e operatività /10/09 Pagina 10 di 26

11 3. Il Sistema di Automazione e di Comunicazione Dal capitolo appena trattato emerge come in applicazioni di questa natura sia da un lato indispensabile poter gestire il sistema da remoto ma nello stesso tempo sia necessario prevedere una sorta di funzionamento manuale e locale delle stazioni, sebbene, in condizioni normali, sia sempre demandata al PLC la regolazione automatica dell impianto, intervenendo sui livelli dei bacini in base a prefissati set points, andando a comandare l apertura e la chiusura delle paratie. Una volta definita l architettura dell applicazione, l attenzione si è concentrata su quale tecnologia d automazione e di comunicazione impiegare, al fine di privilegiare la massima affidabilità ed efficienza del sistema, indirizzandosi verso soluzioni flessibili che garantiscano future nuove implementazioni ed aggiornamenti. Il PLC scelto è un compatto ad elevate prestazioni e forte modularità, dotato di passi di programma e word di memoria dati, 3 porte seriali a configurazione indipendente. L espandibilità massima della cpu prevede: 384 I/O digitali, 40 ingressi analogici e 28 uscite analogiche. Sono disponibili altre funzioni avanzate quali: gestione di I/O remoti su reti standard (Modbus, Profibus, CanOpen e DeviceNet) o proprietarie, controllo assi con motion on board o su espansioni specifiche, connettività a reti standard (Profibus, CanOpen, DeviceNet, Ethernet) e proprietarie con moduli master o slave. Le elevate prestazioni del controllore adottato consentono una corretta e costante messa a punto del sistema, e rendono disponibili funzionali soluzioni di telecontrollo e telemonitoraggio. Le dimensioni ridotte facilitano non poco l allestimento del quadro in spazi contenuti. Elemento importante nel sistema di automazione è il software di programmazione del PLC, conforme allo standard IEC L ambiente di sviluppo pienamente collaudato e funzionale ha reso disponibili cinque linguaggi di programmazione (Diagramma di Flusso 14-15/10/09 Pagina 11 di 26

12 Sequenziale, Testo Strutturato, Lista Istruzioni, Diagramma a Contatti e Diagramma a blocchi Funzione), consentendo di adottare uno stile di programmazione immediato e facilmente fruibile anche per future ulteriori implementazioni ed aggiornamenti. Il cuore e la mente del telecontrollo sono identificati dal dispositivo Web Server, in abbinata ad un modem GPRS, anch esso di dimensioni molto compatte. L unità Web Server racchiude una peculiarità di servizi e prestazioni uniche nella sua categoria. In particolare nell applicazione descritta il punto di forza risiede nella connettività verso la rete wireless GPRS e la possibilità di gestire il procollo Modbus TCP anche over Internet. Il modulo Web Server è stato appositamente progettato per lavorare in ambiente industriale e generalmente in luoghi non presidiati. A tal scopo nell unità sono implementati automatismi firmware che regolano: la chiamata a GPRS, la connessione con vari metodi di risoluzione dell indirizzo IP ed il mantenimento della stessa ovviando al problema dell interruzione del servizio, imposta dai provider, nel momento in cui non ci sono scambio di dati per periodi definiti. Altra funzionalità è la possibilità di programmare e configurare il controllore da remoto servendosi sempre del modulo Web Server, funzione importante per i necessari upgrade software previsti dall applicazione. Al fine di prevedere la massima rintracciabilità e visibilità delle informazioni, il modulo è in grado di memorizzare internamente pagine compilate in linguaggio HTML, Java ed AJAX consultabili mediante WEB Browser. Altra funzionalità di rilievo disponibile nel Web Server è la gestione della comunicazione con protocollo Modbus TCP client / server, protocollo per il quale il modulo è nativamente predisposto. La scelta di un protocollo standard, quale Modbus TCP, assieme alla comunicazione GPRS, si è dimostrata la soluzione vincente su cui si basa la tecnologia PLC GPRS Manager. Per gestire il controllo locale delle stazioni, si è deciso di adottare un pannello touch screen da 3 monocromatico con retro illuminazione a led a tre colori (long life product), che offre una buona visibilità ed immediatezza di utilizzo. Mediante il terminale è possibile non solo 14-15/10/09 Pagina 12 di 26

13 visualizzare i dati della singola stazione ma intervenire, se necessario, con regolazione manuale delle paratie, fornendo continuità di servizio anche nelle situazioni più critiche ed imponderabili. La gestione del sistema da remoto è invece demandata ad un software di supervisione centralizzato cui è dato incarico di eseguire il continuo monitoraggio del sistema e dei presidi; in particolare, lo SCADA rende disponibile sia la rappresentazione dei sinottici delle singole stazioni di controllo, sia informazioni di carattere generale relative allo stato della connessione tra presidi remoti e supervisione centralizzata, così come la presenza di eventuali allarmi od anomalie. Allo scopo di garantire la gestione centralizzata del sistema lo SCADA permette di modificare i parametri di regolazione automatica delle paratie e di impartire comandi per la movimentazione, il tutto secondo una rigida politica di accesso. Il punto di forza dell applicazione risiede nella connessione GPRS che consente ai presidi remoti di essere in costante collegamento con il centro, offrendo la continuità del servizio e l immediato intervento nella gestione dei bacini. E importante sottolineare che l eventuale disconnessione GPRS non influenza l autonomia del PLC in locale, infatti, è stata predisposta una procedura di funzionamento autonomo in cui la stazione può operare sino al ripristino della connessione. Altra chiave vincente è stata la scelta di un fornitore unico, con esperienza applicativa specifica nel GPRS, cui si sono accompagnate la relativa semplicità di configurazione ed utilizzo di sistemi predisposti all integrazione delle funzioni di automazione e telecontrollo /10/09 Pagina 13 di 26

14 4. Telecontrollo e prevenzione. Come descritto al paragrafo precedente la regolazione delle paratie di controllo delle dighe del bacino idrico del comprensorio mantovano è un valido e concreto esempio di come sia possibile integrare un efficiente sistema di gestione della risorsa idrica sfruttando la tecnologia GPRS e la comunicazione con protocollo standard Modbus Tcp. Obiettivo principale è il poter intervenire prontamente in caso di necessità, non sono da locale ma anche da remoto. La criticità del processo da monitorare, non è solo riconducibile all utilizzo consapevole della risorsa idrica, ma presenta evidenti risvolti legati alla prevenzione ed alla produttività, ed impone la scelta di un controllore in grado di gestire la dinamica dei diversi parametri ed eventi. Si evince come il funzionamento del sistema dipenda dal costante ed affidabile monitoraggio della sala di controllo centralizzata, ove risiede lo SCADA, assicurando la necessaria tempestività di intervento in situazioni di potenziale pericolo. La passata gestione manuale del controllo, introduceva potenziali disguidi, riconducibili ad una comunicazione basata sull invio di SMS, con conseguente aumento dei costi dovuti al frequente numero di chiamate giornaliere ed agli interventi di manutentori non preventivati e spesso non necessari, introducendo una componente di criticità per i budget pianificati e comunque non garantendo un adeguato e tempestivo servizio di presidio. Queste ragioni hanno fatto propendere l utilizzatore verso una tecnologia wireless che rende accessibile una connettività continua, in grado di offrire una banda di trasmissione idonea a diversificati task ed attività. La comunicazione GPRS ben si presta a queste richieste, infatti, è possibile trasmettere con continuità dati a costi contenuti, indipendentemente dalla presenza o meno dell infrastruttura cablata, ed addirittura inviare con allegati contenenti informazioni sullo stato del sistema o dati relativi al monitoraggio dei bacini. In 14-15/10/09 Pagina 14 di 26

15 questo modo le informazioni relative ai sistemi dislocati sono facilmente accessibili dalla sala di controllo. La tecnologia denominata PLC GPRS Manager permette di: - rendere ogni utilizzatore completamente autonomo ed indipendente nella gestione della connessione alla rete, avendo la massima capacità di risoluzione degli indirizzi IP, senza doversi appoggiare a società o provider esterni, - mantenere la stessa tecnologia PLC based sia sulle stazione remote che lato centro di controllo, riducendo al minimo il know how per la messa in servizio, l aggiornamento e manutenzione del sistema, - utilizzare nel settore del telecontrollo dispositivi nati per lavorare in ambiente industriale e quindi con elevato grado di affidabilità e robustezza, caratteristiche importanti in caso di stazioni non presidiate, - appoggiarsi alla rete internet standard senza utilizzare reti VPN di server esterni oppure VPN definite dai provider di servizi GPRS, con conseguente restrizioni sulla flessibilità della comunicazione e possibile aumento dei costi di gestione, - indirizzare il traffico dati direttamente dalle stazioni remote al server centrale senza appoggiarsi ad alcun server esterno, - utilizzare sia lato server che lato client librerie standard ready to use, gratuite sviluppate su applicazione di telecontrollo già esistenti. Va sottolineato che la proposta del fornitore unico di automazione composta di hardware (plc, Web Server, modem GPRS) e software (librerie IEC61131 relative a funzioni di comunicazioni e telecontrollo), ha sostenuto e facilitato il percorso di concezione e messa in opera dell automazione. L applicazione realizzata non è riconducibile alla sola lettura dei dati e delle informazioni proveniente dalle stazioni remote, ma è assimilabile ad un processo distribuito e condiviso; ogni stazione attua uno sviluppo di azioni che hanno ricadute ben tangibili sulle altre stazioni del sistema, ed il tutto deve funzionare all unisono ed in armonia 14-15/10/09 Pagina 15 di 26

16 per evitare qualsiasi tipo di imprevisto o malfunzionamento. Il sistema di prevenzione così allestito può funzionare in ambo le direzioni, da remoto a centralizzato e viceversa. Da remoto a centralizzato è il controllore della stazione remota ad inviare al PLC GPRS Manager il proprio indirizzo IP, acquisito dopo la connessione alla rete, le eventuali segnalazioni di allarme (su evento) e le informazioni relative allo stato delle paratie ed ai livelli del bacino (in base a determinati timer predefiniti); il tutto avviene mediante il protocollo standard Modbus TCP. Da centralizzato a remoto è lo SCADA ad interrogare le singole stazioni per conoscerne lo stato, modificare parametri di regolazione delle paratie od intraprendere azioni correttive in caso di segnalazione di allarmi; tutto avviene sempre sfruttando la connessione GPRS. Il PLC GPRS Manager assume un ruolo assolutamente centrale, in quanto al proprio interno archivia non solo le informazioni e gli allarmi provenienti dai singoli presidi, ma memorizza la tabella di associazione (Identificativo stazione - indirizzo IP), tabella utilizzata dallo SCADA per accedere ai singoli presidi. Oltre a ciò vale la pena di evidenziare come in caso di malfunzionamento dello SCADA, il PLC GPRS Manager continui ad operare garantendo la comunicazione ed il trasferimento di informazioni con l intero sistema. Questa architettura permette allo SCADA centralizzato di campionare preventivamente le singole stazioni, con finalità preventive e predittive, al fine di garantire la massima vigilanza del sistema. La supervisione, infine, è predisposta per verificare ad intervalli regolari la presenza nella rete delle singole stazioni, mediante un opportuno time di live, ed eventualmente segnalare la mancata presenza della stazione nella rete. Sfruttando la banda disponibile con la rete GPRS è quindi possibile attuare da un lato un sistema affidabile di prevenzione e dall altro raccogliere ed archiviare una consistente quantità di dati ed informazioni che dopo attenta analisi ed interpretazione permettano di realizzare opportuni trend e valutazioni statistiche. Questo ha suggerito agli sviluppatori di implementare funzioni di tele monitoraggio e tele controllo che non siano 14-15/10/09 Pagina 16 di 26

17 finalizzate alla sola prevenzione ma che permettano di raccogliere suggerimenti utili alla gestione intelligente di una risorsa così preziosa come quella idrica, non per niente ribattezzata oro bianco /10/09 Pagina 17 di 26

18 5. Plc Gprs Manager Entrando nel dettaglio tecnico della soluzione proposta possiamo individuare 3 elementi che vengono a comporre la soluzione PLC GPRS Manager (Fig.1). GPRS Remote Station GPRS Remote Station GPRS Remote Station 1. Il PLC Client (PLC + WEBServer + Modem GSM) altresì denominato stazione remota che si trova posizionato presso le paratie dei bacini idrici da controllare. 2. Il PLC Server (PLC + WEB Server) altresì denominato GPRS Manager che si trova posizionato presso la sala di controllo del consorzio di gestione. 3. SCADA di supervisione che si trova posizionato presso la sala di controllo del consorzio di gestione /10/09 Pagina 18 di 26

19 5.1 Stazione remota Sulla stazione remota vengono attivate mediante apposito configuratore funzionalità di tipo: - Mewtocol server per ricevere eventuale interrogazione da parte dello SCADA (Fig.2) - Modbus TCP Client per inviare informazioni e/o dati al GPRS Manager (Fig.3) - Funzionalità di connessione a rete GPRS con acquisizione dell IP dinamico da parte del PLC (Fig.4). Fig. 2 Configurazione Mewtocol Server Fig. 3 Configurazione Modbus TCP Client Fig. 4 Connessione a rete GPRS Inoltre tramite un'unica FB di controllo (Fig. 5) vengono eseguite tutte le operazioni verso il server da programma PLC. Fig. 5 FB Client GPRS In particolare: - Lancia la connessione ad internet - Riceve ed elabora l indirizzo IP dinamico - Legge dalla stazione GPRS Manager la PW di riconoscimento del server remoto /10/09 Pagina 19 di 26

20 - Verificata la presenza del Server ritorna messaggio Server Online e invia l indirizzo IP ricevuto ed il numero della stazione al GPRS Manager. - Esegue inoltre o periodici invii dell IP e nel numero di stazione in base ad un TTL (TimeToLive) predefinito al GPRS Manager o Invii di codice di allarme al GPRS Manager o Invii di dati, in dimensioni definite da utente, al GPRS Manager con relativo TTL che da il riferimento sull ultima lettura fatta e quindi sull affidabilità dei dati che si stanno processando 5.2 GPRS Manager Nella stazione GPRS Manager vengono attivate mediante apposito configuratore funzionalità di tipo Modbus TCP Server per ricevere informazioni e/o dati dalle stazioni remote in modo analogo a quanto visto per le stazioni remote stesse. Si intuisce quindi uno dei principali punti di forza della soluzione PLC GPRS Manager utilizzata nel controllo delle paratie delle dighe del comprensorio mantovano, ossia il fatto che la stazione lato sala di controllo è basata sempre su tecnologia PLC con evidenti vantaggi dal punto di vista del affidabilità e di know-how (non si devono conoscere tecnologie diverse dal PLC). Inoltre, il GPRS Manager, con la completa gestione delle informazioni, si trova completamente presso la sala di controllo del consorzio e quindi non c è alcuna dipendenza da servizi esterni che posso introdurre degli elementi incogniti nell affidabilità del sistema. Anche nel caso del GPRS Manager la gestione dei dati ricevuti dalle stazioni remote viene eseguita con un'unica FB (Fig. 6) che è in grado di gestire una quantità di stazioni impostabile in sede di configurazione del sistema /10/09 Pagina 20 di 26

21 Fig. 6 FB Server GPRS La soluzione è quindi adattabile ad un numero di stazioni configurabili che la FB di gestione è in grado di processare in modo automatico. 5.3 SCADA Lo SCADA si occupa principalmente di: - storicizzare i dati nel DB interno - mantenere costantemente sotto controllo lo stato delle stazioni remote leggendo dati ed allarmi sulla stazione locale GPRS Manager e fornendo le informazioni sullo stato della connettività delle stazioni remote stesse. - effettuare una connessione diretta alle stazioni remote, che essendo connesse via GPRS sono always ON, aprendo in automatico la connessione verso l indirizzo IP disponibile sul GPRS Manager - rendere disponibile le informazioni a responsabili e operatori esterni mediante funzionalità WEB Client che consento un servizio di controllo H24 Lo SCADA è in grado quindi di accedere ai dati delle stazioni remote sia via GPRS manager che direttamente, questo permette di avere il giusto compromesso tra quantità di dati scambiata via Internet (quindi costi del servizio) e dati in real time. Nel caso di accesso diretto ai dati abbiamo inoltre la garanzia di interloquire direttamente con la stazione remota che sta eseguendo il controllo, senza passare da server intermedi che possono introdurre elementi di ritardo e/o cause di fault /10/09 Pagina 21 di 26

22 5. La supervisione La supervisione è l anello che congiunge l uomo all impianto. La sua funzionalità principale è rendere visibili le informazioni in maniera semplice e chiara, possibilmente con l utilizzo di grafica ed animazioni tale da rendere il monitor lo specchio dello status dell impianto. Per assolvere allo scopo assegnato, nell architettura sviluppata, lo SCADA dovrà comunicare con diversi punti per la raccolta delle opportune informazioni. Un primo costante scambio dati avviene con il PLC GPRS MANAGER, dal quale ottiene le seguenti informazioni basilari: - Indirizzo IP assegnato ad ogni singola stazione remota, e TTL (ultimo aggiornamento) validità indirizzo. - Presenza allarme per ogni stazione remota. - Dati inviati da ogni stazione remota, e TTL ultimo aggiornamento. Con le suddette informazioni riportate in un sinottico geografico, in un colpo d occhio viene visualizzato lo status di connessione e raggiungibilità della stazione remota, la presenza di un allarme, ed i principali livelli delle paratie. Il parametro TTL visualizzato indica all operatore a quando risale l ultimo aggiornamento effettuato, informazione utile per la conduzione e gestione del bacino idrico anche in momentanea mancanza di rete GPRS. Durante questa fase, la comunicazione avviene tra SCADA e PLC GPRS MANAGER nella rete LAN ( possibile, volendo, anche una comunicazione via seriale), quindi senza costi da sopportare per lo scambio dati. Un secondo scambio dati, sfruttando la velocità di comunicazione del GPRS, avviene tra SCADA e stazione remota (comunicazione punto-punto ); il collegamento diretto avviene utilizzando l indirizzo IP acquisito, mappato nel PLC GPRS MANAGER. Le informazioni disponibili sono visualizzate nei singoli sinottici, e ciò permette di conoscere 14-15/10/09 Pagina 22 di 26

23 in tempo reale la situazione contingente della singola stazione. In questa modalità è possibile cambiare i parametri di setup del processo di controllo automatico delle paratie, oppure impartire comandi quale il passaggio da controllo automatico/manuale od eseguire la movimentazione delle paratie. La possibilità di interagire con l impianto è limitata secondo politiche restrittive d accesso, le quali consentono l invio di comandi solamente a personale autorizzato tramite specifici codici di identificazione. Nel supervisore inoltre si sono realizzate funzioni di registrazione dati, e pagine di trend per meglio visualizzare e rappresentare i livelli delle paratie, e dei livelli idrici sia a monte che a valle della stessa centrale. Sono inoltre memorizzati su database ODBC, lo storico del supervisore (inteso come attività di avvenimenti interni quali l errore nel driver di comunicazione) e lo storico allarmi dell impianto, per tener traccia di tutti gli eventi verificatesi. Tra le possibilità offerte con lo SCADA, troviamo quella di remotare la supervisione ed interagire attraverso un comune Web Browser; in pratica ogni singolo manutentore può accedere (tramite autenticazione del suo ID personale) all impianto da un qualsiasi PC o PDA connesso a internet, in maniera tale da monitorare lo stato o, operare le opportune manovre /10/09 Pagina 23 di 26

24 7. Ulteriori funzioni implementabili L applicazione qui esposta è stata concepita per garantire la regolazione ed il monitoraggio dei bacini idrici del comprensorio mantovano con scopi di prevenzione e di razionale utilizzo della risorsa idrica; la comunicazione GPRS ha permesso di realizzare una connessione affidabile tra le stazioni remote e lo SCADA, garantendo un intervento tempestivo in caso di anomalie. Questo processo ha accresciuto la sicurezza in stazioni usualmente non presidiate, delegandola sia all automazione in locale sia alla supervisione centralizzata. Una prima possibile evoluzione sarà indirizzata ad allestire opportuni pc portatili di manutenzione che consentiranno di accedere ai presidi indifferentemente dalla locazione geografica dell operatore. L obiettivo è permettere al manutentore di monitorare le stazioni, anche se non sta direttamente operando dallo SCADA centralizzato; il tutto sarà praticabile accedendo alla supervisione in modalità Web Client, con opportune politiche di accesso e livelli di autorizzazione stabiliti a priori. Altra possibile modalità di accesso, lato centro di controllo, potrebbe essere quella di inserire un HMI connesso al CPRS Manager. Così facendo tutti i dati ricevuti dalle stazioni remote possono essere visualizzati in locale e all occorrenza potrebbe essere implementata una funzionalità di controllo da parte del GPRS Manager verso le stazioni remote, sfruttando sempre il protocollo Modbus TCP, questa volta in modalità Client. Per accedere al dato si potrebbe considerare anche la possibilità di visualizzare, in locale o da remoto, le pag. HTML che si possono caricare sul WEB Server del GPRS Manager. Se su tali pag. si prevedono dei link all indirizzo IP delle stazioni remote, una volta entrati nelle pag. del GPRS manager, è possibile entrare anche nelle pag. delle stazioni remote, effettuando tutte le operazioni di monitor e controllo che le pag. HTML (Java/Ajax) mettono a disposizione. Accedere ai dati del sistema via HMI o pag. HTML se da una parte risulta intuitivo, dall altra potrebbe precludere la possibilità di creare uno storico dei dati in 14-15/10/09 Pagina 24 di 26

25 quanto le informazioni monitorate e controllate sono sempre in real time. Da qui si intuisce l importanza di sfruttare qualora sia possibile uno SCADA. Altro possibile miglioramento, che sfrutta sempre la flessibilità del Modbus TCP, consiste nel trasferire i dati relativi alla localizzazione sulla rete internet delle stazioni remote (tabella degli indirizzi IP) ad ogni nodo della rete. Questo consente ad ogni nodo della rete di inviare dati a qualsiasi altra stazione implementando, di fatto, un controllo M2M che potrebbe permettere la sincronizzazione tra le stazioni remote e con opportuni algoritmi l autoapprendimento dei vari Set Point di controllo. Infine, sempre considerando l aspetto tecnologico un altra funzionalità che potrebbe migliorare già da subito il funzionamento coordinato tra le stazioni remote consiste nell opportunità di sincronizzare ogni stazione con l orologio atomico sfruttando la funzione SNTP disponibile nativamente sul WEB server. Altra possibile implementazione potrebbe essere indirizzata allo studio della qualità dell acqua, l ipotesi è quella di dotare ogni presidio di opportuni strumenti di misura e di rilevazione al fine di analizzare le condizioni delle acque in uscita dai sistemi. Da ultimo la naturale evoluzione delle tecnologie di comunicazione ci fa pensare che in futuro non lontano siano disponibili soluzioni industriali HDSPA in grado di offrire una connessione a banda maggiore e più performante offrendo una sorta di monitoraggio in real time, sfruttando ad esempio sistemi di videosorveglianza /10/09 Pagina 25 di 26

26 8. Conclusioni La soluzione tecnologica presentata è il frutto di una stretta collaborazione tra l utilizzatore (la Public Utility), l integratore di automazione e il fornitore dei sistemi di automazione e telecontrollo. Le diverse prospettive tecnico-operative degli uni e degli altri hanno trovato la loro sintesi in un set up d impianto distribuito che saprà, in concreto, assicurare oggi e domani il valore del dato. Una piattaforma flessibile di automazione e una tecnologia di comunicazione remota aperta e basata su standard, garantiscono infatti nel tempo gli investimenti fatti a favore : - di un operatività in continua evoluzione - di un esigenza ad alto valore aggiunto sociale Vivere in un ambiente sicuro da cui si possano ricavare le limitate risorse in modo consapevole e, soprattutto, rispettoso 14-15/10/09 Pagina 26 di 26