Eine Einführung in Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) für Einsteiger

SCADA hilft Industrieunternehmen, ihre Effizienz zu erhalten, Systemprobleme zu kommunizieren, um Ausfallzeiten zu vermeiden, und Daten zu verarbeiten, um intelligentere Entscheidungen zu treffen.

Viele Industriebetriebe, abgelegene Standorte und Produktionsstätten waren früher darauf angewiesen, dass das Personal elektrische Geräte manuell über analoge Wählscheiben und Drucktasten überwachte und steuerte.

Da die abgelegenen Standorte und Industriehallen immer größer wurden, brauchten sie bessere Lösungen, um ihre elektrischen Geräte über große Entfernungen zu steuern. Einige Unternehmen begannen mit dem Einsatz von Zeitschaltuhren und Relais, um ein besseres Maß an Überwachungskontrolle zu bieten.

Obwohl Zeitschaltuhren und Relais große Probleme lösen, bieten sie nur begrenzte Automatisierungsfunktionen. Auch hier waren Zeitschaltuhren und Relais schwierig zu konfigurieren. Die Schalttafeln und die Fehlersuche nimmt mehr Platz in Anspruch. Daher treten weitere Probleme auf.

Eine Technologie - 'SCADA' - wurde eingeführt, um diese Art von Problemen zu lösen.

Mit dem Aufkommen von SPS und Mikroprozessoren in der Anfangszeit von SCADA können Unternehmen automatisierte Prozesse besser als zuvor überwachen und steuern.

In diesem Artikel werde ich über SCADA, seine Einsatzmöglichkeiten, Funktionen, Komponenten, Typen und mehr sprechen.

Fangen wir an!

Was ist SCADA?

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) ist eine Art von Anwendung, die es der Industrie ermöglicht, ihre industriellen Prozesse zu steuern, z.B. Daten von entfernten Standorten in Echtzeit zu erfassen, um den Zustand von Anlagen zu kontrollieren. Es bietet viele Tools, die für datengesteuerte Entscheidungen in Echtzeit benötigt werden.

SCADA hat seit den 1970er Jahren viele industrielle Überwachungs- und Steuerungsprozesse gelöst.

In den späten 90er und frühen 2000er Jahren vollzog SCADA einen Wandel, indem es eine offene Systemarchitektur sowie Kommunikationsprotokolle einführte, die nicht herstellerspezifisch sind. Dies nutzte Kommunikationstechnologien wie Ethernet, die es den Systemen ermöglichten, mit anderen Anbietern zu kommunizieren, und hob die Beschränkungen in älteren SCADA-Systemen auf.

Moderne SCADA-Systeme ermöglichen es Industrieetagen, von jedem Ort der Welt aus auf Echtzeitdaten zuzugreifen. Dieser Zugriff ermöglicht es Unternehmen, Privatpersonen und Regierungen, bessere Entscheidungen über die Verbesserung ihrer Prozesse zu treffen. Ohne SCADA-Software wird es unmöglich sein, genügend Daten zu sammeln.

Darüber hinaus verfügt moderne SCADA-Designer-Software über Rapid Application Development (RAD)-Funktionen. Damit können Benutzer auch ohne Kenntnisse in der Softwareentwicklung problemlos Anwendungen entwerfen.

Die Einführung moderner IT-Praktiken und -Standards wie webbasierte Anwendungen und SQL in SCADA-Software hat die Sicherheit, Zuverlässigkeit, Produktivität und Effizienz von SCADA-Systemen verbessert.

Der große Vorteil der Verwendung von SQL-Datenbanken besteht darin, dass die Integration in ERP- und MES-Systeme erleichtert wird und die Daten nahtlos durch das gesamte Unternehmen fließen können.

SCADA ist auch ein System aus Hardware- und Softwareelementen, mit dem Industrieunternehmen:

• Kontrolle industrieller Prozesse an entfernten Standorten oder vor Ort
• Daten in Echtzeit zu überwachen, zu sammeln und zu verarbeiten
• Über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI-Software) direkt mit Geräten wie Pumpen, Ventilen, Sensoren, Motoren und anderen interagieren
• Aufzeichnung aller Ereignisse in einer Protokolldatei

Die Grundlagen der Architektur beginnen mit Remote Terminal Units (RTUs) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (PLCs). Diese beiden sind die Mikrocomputer, die mit einer Vielzahl von Objekten wie Sensoren, Endgeräten, HMIs und Fabrikmaschinen kommunizieren. RTUs und PLCs leiten die Daten von den Objekten mit Hilfe von SCADA-Software an die Computer weiter.

Die SCADA-Software verarbeitet, zeigt und verteilt die Daten und hilft Mitarbeitern und Bedienern, die Informationen zu analysieren und wichtige Entscheidungen zu treffen.

So spricht das SCADA-System beispielsweise einen Bediener schnell auf eine Ladung von Produkten an, die Fehler aufweisen. Der Bediener unterbricht den Betrieb, sieht sich die Systemdaten über die HMI an und ermittelt die Ursache des Problems. Der Bediener überprüft dann die Informationen und stellt fest, dass "Maschine 4" nicht funktioniert.

Auf diese Weise hilft das SCADA-System dem Bediener, das Problem zu erkennen, es rechtzeitig zu beheben und weitere Schäden zu verhindern.

Komponenten eines SCADA-Systems

SCADA-Systeme bestehen aus verschiedenen Komponenten, die vor Ort eingesetzt werden, um Daten in Echtzeit zu erfassen. Diese Komponenten ermöglichen die Erfassung von Daten und die Verbesserung der industriellen Automatisierung.

Lassen Sie uns jede Komponente im Detail besprechen.

#1. Sensoren und Aktuatoren

Ein Sensor ist ein Gerät oder System, das Eingangsfunktionen von industriellen Prozessen erfasst. Ein Aktuator ist ein Gerät, das den Mechanismus von industriellen Prozessen steuert. Sensoren funktionieren wie ein Messgerät oder eine Anzeige, die den Status der Maschine anzeigt.

Ein Aktuator funktioniert wie ein Drehknopf, ein Regler oder ein Schalter, der zur Steuerung des Geräts verwendet werden kann. Beide werden von SCADA Feld-Controllern überwacht und gesteuert.

#2. SCADA-Feld-Controller

Die Feldcontroller bilden eine direkte Schnittstelle zu Aktoren und Sensoren. Dabei gibt es zwei Kategorien:

1. Abgesetzte Telemetrieeinheiten (RTUs) bilden eine Schnittstelle zu den Sensoren, um Telemetriedaten zu sammeln und diese dann für die nächste Aktion an ein Primärsystem weiterzuleiten.
2. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bilden eine Schnittstelle zu den Aktoren, um die industriellen Prozesse auf der Grundlage der von den RTUs gesammelten aktuellen Telemetriedaten zu steuern.

#3. SCADA-Überwachungscomputer

Überwachungscomputer steuern alle Prozesse im Zusammenhang mit SCADA. Sie werden eingesetzt, um Daten von Feldgeräten zu sammeln und Befehle an die Geräte zu senden, um industrielle Prozesse zu steuern.

#4. HMI-Software

Diese Software stellt ein System zur Verfügung, das Daten von den SCADA-Feldgeräten bestätigt und darstellt. Außerdem ermöglicht sie den Bedienern, den Status der SCADA-gesteuerten Prozesse zu verstehen und zu ändern.

#5. Kommunikationsinfrastruktur

Die Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht es den SCADA-Überwachungssystemen, mit den Feld-Controllern und Feldgeräten zu kommunizieren. Sie ermöglicht es den SCADA-Systemen auch, Daten von den Feldgeräten zu sammeln und diese Geräte zu steuern.

Merkmale von SCADA-Systemen

SCADA-Systeme enthalten spezielle Funktionen für bestimmte Anwendungen oder Branchen, und die meisten Systeme unterstützen die folgenden Funktionen:

• Datenerfassung: Sie ist die Grundlage von SCADA-Systemen, bei denen Sensoren Daten erfassen und diese an Feld-Controller weitergeben. Im Gegenzug leiten die Feld-Controller Daten an die SCADA-Computer weiter.
• Fernsteuerung: Sie wird durch die Steuerung der Feldaktoren erreicht, die auf den von den Feldsensoren erfassten Daten basiert.
• Vernetzte Datenkommunikation: Sie ermöglicht alle SCADA-Funktionen. Die von den Sensoren erfassten Daten werden an die SCADA-Feld-Controller übertragen, die dann mit den SCADA-Überwachungscomputern kommunizieren. Der Fernsteuerungsbefehl wird von den Überwachungscomputern an die Aktoren zurückgesendet.

• Datenpräsentation: Dies wird durch HMIs erreicht, die aktuelle und historische Daten darstellen, die von den Bedienern benötigt werden, um das SCADA-System zu betreiben.
• Alarm: Er alarmiert die Bediener über wichtige Zustände im SCADA-System. Es kann einfach so konfiguriert werden, dass die Bediener benachrichtigt werden, wenn die Prozesse blockiert sind, einige Systeme ausfallen oder andere Aspekte gestoppt, gestartet oder angepasst werden müssen.
• Echtzeit- und historische Daten: Beide sind wesentliche Bestandteile des SCADA-Systems. Damit können die Benutzer die Leistung des aktuellen Szenarios im Vergleich zu historischen Trends verfolgen.
• Berichte: Dazu gehören Berichte über die Prozessleistung, den Systemstatus und maßgeschneiderte Berichte für bestimmte Zwecke.

Funktionsweise von SCADA

SCADA-Systeme führen einige Funktionen aus, darunter die Datenerfassung, die Datenkommunikation, die Darstellung von Informationen/Daten und die Überwachung/Steuerung. Diese Funktionen werden von den Komponenten des SCADA-Systems ausgeführt, z.B. von Sensoren, RTUs, Controllern, einem Kommunikationsnetzwerk usw.

Die Sensoren werden zur Erfassung der wichtigsten Daten verwendet, und die RTUs dienen dazu, diese Daten an den Controller zu senden, um den Status des Systems anzuzeigen. Je nach Status gibt der Benutzer den anderen Komponenten den Befehl, ihre Funktion auszuführen. Ein Kommunikationsnetzwerk übernimmt diese Funktion.

Im Folgenden werden wir die einzelnen Funktionen besprechen, um das Funktionsprinzip der SCADA-Systeme zu verstehen.

Datenerfassungen

Ein SCADA-Echtzeitsystem besteht aus vielen Sensoren und Komponenten, die Informationen sammeln und die Daten zur weiteren Verarbeitung senden.

Einige der Sensoren messen zum Beispiel den Wasserfluss von einem Reservoir zum Wassertank, andere Sensoren messen den Druck, wenn das Wasser aus dem Reservoir abgelassen wird. Hier erfassen die Sensoren verschiedene Arten von Daten, um zu verstehen, ob alle Prozesse reibungslos ablaufen.

Datenkommunikation

Die SCADA-Systeme verwenden ein kabelgebundenes Netzwerk, um Daten zu sammeln und zwischen Benutzern und Geräten zu übertragen. SCADA-Anwendungen in Echtzeit verwenden Komponenten und Sensoren, die aus der Ferne gesteuert werden. Dabei wird auch die Internetkommunikation genutzt. Da Relais und Sensoren nicht kommunizieren können, werden RTUs zur Kommunikation von Netzwerkschnittstellen und Sensoren verwendet.

Präsentation der Daten

Die normalen Netzwerke bestehen aus Indikatoren, die zur Kontrolle sichtbar sind. Bei SCADA-Echtzeitanwendungen gibt es eine Vielzahl von Alarmen und Sensoren, die sich nicht gleichzeitig verwalten lassen. Das SCADA-System verwendet HMI, um alle von den verschiedenen Sensoren gesammelten Daten anzubieten.

Überwachung und Steuerung

Das SCADA-System verwendet verschiedene Schalter, um Geräte zu bedienen und den Status des kontrollierten Bereichs anzuzeigen. Mit diesen Schaltern kann jeder Teil von der Station aus ein- und ausgeschaltet werden. Die SCADA-Anwendung ist so implementiert, dass sie ohne menschliches Zutun automatisch arbeitet. Nur in kritischen Situationen wird sie von einem Menschen bedient.

Arten von SCADA

SCADA-Systeme werden in vier Typen eingeteilt, darunter monolithische SCADA-Systeme, verteilte SCADA-Systeme, vernetzte SCADA-Systeme und IoT SCADA-Systeme.

#1. Monolithische SCADA-Systeme

Die frühen oder ersten Generationen von SCADA-Systemen werden als monolithische SCADA-Systeme bezeichnet. Dabei werden Minicomputer verwendet. Die Entwicklung von monolithischen SCADA-Systemen kann erfolgen, wenn kein gemeinsamer Netzwerkdienst verfügbar ist. Das Design dieses Systems ist wie ein unabhängiges System, d.h. das Design eines Systems darf nicht mit einem anderen System in Verbindung gebracht werden.

Die Daten können von den RTUs mit Hilfe eines Backup-Mainframes gesammelt werden. Die entscheidende Funktion der Systeme der ersten Generation beschränkt sich auf die Kennzeichnung von Prozessen und die Überwachung der Sensoren.

#2. Verteilte SCADA-Systeme

Verteilte SCADA-Systeme werden auch als Systeme der zweiten Generation bezeichnet. Die Kontrollfunktionen sind durch die Verbindung mit einem LAN auf verschiedene Systeme verteilt. Die Kontrollvorgänge werden durch Befehlsverarbeitung und gemeinsame Nutzung von Echtzeitdaten durchgeführt.

Bei diesem System werden die Kosten und die Größe der einzelnen Stationen reduziert, aber es gibt keine einheitlichen Netzwerkprotokolle.

#3. Vernetzte SCADA-Systeme

Die vernetzten SCADA-Systeme werden als Systeme der dritten Generation bezeichnet. Das Kommunikationsnetz der heutigen SCADA-Systeme funktioniert über ein WAN-System über Telefone oder Datenleitungen.

Die Datenübertragung zwischen den Knotenpunkten erfolgt über Glasfaser- oder Ethernet-Verbindungen. Dabei wird eine SPS verwendet, um die Markierungsvorgänge einzustellen, zu überwachen und zu steuern, sobald eine Notwendigkeit besteht.

#4. IoT SCADA-Systeme

IoT SCADA-Systeme sind als Systeme der vierten Generation bekannt. Hier werden die Infrastrukturkosten des Systems durch die Implementierung des IoT über Cloud Computing minimiert. Die Integration und Wartung dieser Systeme ist einfacher als bei anderen.

In einem Echtzeitsystem kann der Zustand der Komponenten oder Geräte einfach über Cloud Computing gemeldet werden.

Vorteile von SCADA

Die Vorteile von SCADA-Systemen sind wie folgt

• Skalierbarkeit: Moderne SCADA-Systeme sind aus verschiedenen Gründen skalierbar, z.B. wegen der besseren Verfügbarkeit von unterstützter Software und Hardware, der Nutzung von Cloud Computing, um die Arbeitslast zu bewältigen, usw.
• Interoperabilität: Moderne SCADA-Systeme sind nicht auf proprietäre Software und Hardware angewiesen, so dass es keine Herstellerabhängigkeit gibt.
• Kommunikation: SCADA unterstützt moderne Kommunikationsprotokolle, die einen besseren Zugriff auf die Scada-Steuerungen und -Daten ermöglichen.
• Unterstützung: Moderne SCADA-Systeme werden von den Anbietern gut unterstützt. Die Verwendung offener Netzwerkstandards, moderner Softwareentwicklungsplattformen und kommerzieller Standardhardware macht auch Drittanbietern leichter zugänglich.

Beschränkungen von SCADA

Einige der Einschränkungen eines SCADA-Systems sind die folgenden:

• Es verfügt über komplexe Hardwareeinheiten und abhängige Module.
• Für die Wartung werden Programmierer, qualifizierte Bediener und Analysten benötigt.
• Die Installationskosten sind hoch.
• Viele spekulieren, dass SCADA zu einem Anstieg der Arbeitslosenquote beitragen kann.

Anwendungsfälle von SCADA

SCADA wird in vielen Industriebetrieben eingesetzt, um die Verwaltung und Automatisierung von industriellen Prozessen zu unterstützen, da diese Prozesse für die menschliche Kontrolle und Überwachung komplex und schwerfällig geworden sind.

SCADA ist nützlich für Prozesse, die aus der Ferne gesteuert und überwacht werden können, insbesondere dann, wenn es möglich ist, Verschwendung zu minimieren und die Effizienz zu steigern.

In der Industrie sind folgende Beispiele für SCADA-Automatisierung üblich:

• Öl- und Gasraffinationen
• Elektrizitätserzeugung und -verteilung
• Chemische Produktion
• Telekommunikationsinfrastruktur
• Fabrikation und verwandte Prozesse
• Transport- und Schifffahrtsinfrastruktur
• Versorgungsinfrastrukturen, wie z.B. Wasser- und Abfallkontrolle
• Lebensmittel- und Getränkeherstellung

Mit Hilfe der SCADA-Technologie können diese Prozesse genau verfolgt und kontrolliert werden, um die Leistung im Laufe der Zeit zu verbessern. Effektive Systeme führen zu erheblichen Einsparungen von Geld und Zeit.

In der modernen Welt werden SCADA-Systeme in irgendeiner Form eingesetzt. Einige Beispiele sind die Wartung von Kühlsystemen, die Gewährleistung der Produktionssicherheit in einer Raffinerie, die Einhaltung von Qualitätsstandards in einer Kläranlage, die Überwachung des Energieverbrauchs in Ihrem Haus und vieles mehr.

Wie man eine SCADA-Lösung implementiert

Bei der Implementierung eines SCADA-Systems müssen Sie diese wichtigen Schritte beachten:

• Definieren Sie klar, was Sie überwachen wollen und verstehen Sie es
• Bestimmen Sie, welche Art von Daten Sie sammeln möchten und wie
• Fügen Sie Gateways hinzu, um aktuelle Datenerfassungspunkte zu verbinden
• Erstellen Sie Datenerfassungspunkte, falls erforderlich
• Zentralisieren Sie die Daten an der gewünschten Überwachungsstelle
• Daten in der SCADA-Anwendung Ihrer Wahl abbilden
• Fügen Sie Visualisierungen von Kontrollen und Datenprozessen hinzu
• Definieren Sie Regeln und Automatisierung

Sobald Sie mit allem fertig sind, kümmert sich die SCADA-Software um den Rest. Sie hilft Ihnen dabei, mit der Anlage zu interagieren, Probleme zu melden, über vorausschauende Wartung zu informieren und die Kontrolle über die Geräte zu übernehmen.

Fazit

SCADA bietet eine effiziente Möglichkeit, industrielle Prozesse und Daten zu kontrollieren und zu verwalten, Systemprobleme zu erkennen und diese zur schnellen Behebung zu kommunizieren. Anstatt auch alles manuell zu erledigen oder Ihre Zeit und Ihr Geld zu verschwenden, können Sie diese Prozesse mit einem SCADA-System automatisieren.

SCADA wird mit bestimmten Zielen implementiert. Wenn Sie es auch in Ihrem Unternehmen einführen möchten, sollten Sie Ihren Bedarf ermitteln und die Prozesse entsprechend automatisieren.