Eine Einführung in die Aufsichtskontrolle und Datenerfassung (SCADA) für Anfänger

SCADA hilft Industrieunternehmen, die Effizienz aufrechtzuerhalten, Systemprobleme zu kommunizieren, um Ausfallzeiten zu minimieren, und Daten zu verarbeiten, um intelligentere Entscheidungen zu treffen.

Viele Industrieanlagen, abgelegene Standorte und Produktionsstätten waren früher auf Personal angewiesen, um elektrische Geräte manuell über analoge Wählscheiben und Druckknöpfe zu überwachen und zu steuern.

Da die abgelegenen Standorte und Industrieböden immer größer wurden, brauchten sie bessere Lösungen, um ihre elektrischen Geräte aus großer Entfernung zu steuern. Einige Organisationen begannen damit, Timer und Relais zu verwenden, um ein besseres Maß an Überwachungskontrolle zu bieten.

Obwohl Timer und Relais große Probleme lösen, bieten sie begrenzte Automatisierungsfunktionen. Auch hier waren Timer und Relais schwierig zu konfigurieren. Die Bedienfelder und die Fehlersuche nahmen mehr Platz ein. Daher traten weitere Probleme auf.

Eine Technologie – „SCADA“ – wurde eingeführt, um diese Art von Problemen zu lösen.

Der Aufstieg von SPS und Mikroprozessoren während des Starts von SCADA hilft Organisationen, automatisierte Prozesse mehr als zuvor zu überwachen und zu steuern.

In diesem Artikel werde ich SCADA, seine Verwendung, Funktionen, Komponenten, Typen und mehr diskutieren.

Lasst uns beginnen!

Was ist SCADA?

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) ist eine Art von Anwendung, die es der Industrie ermöglicht, ihre industriellen Prozesse zu kontrollieren, wie z. B. das Sammeln von Daten von entfernten Standorten in Echtzeit, um den Zustand der Ausrüstung zu kontrollieren. Es bietet viele Tools, die für die Bereitstellung datengesteuerter Entscheidungen in Echtzeit erforderlich sind.

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

In den späten 90er und frühen 2000er Jahren nahm SCADA eine Änderung vor, indem es offene Systemarchitekturen sowie Kommunikationsprotokolle nutzte, die nicht herstellerspezifisch sind. Dies nutzte Kommunikationstechnologien wie Ethernet, die es Systemen ermöglichten, mit anderen Anbietern zu kommunizieren, wodurch die Einschränkungen in älteren SCADA-Systemen erhöht wurden.

Moderne SCADA-Systeme ermöglichen Industrieböden den Zugriff auf Echtzeitdaten von überall auf der Welt. Dieser Zugriff ermöglicht es Unternehmen, Einzelpersonen und Regierungen, bessere Entscheidungen zur Verbesserung ihrer Prozesse zu treffen. Ohne SCADA-Software ist es unmöglich, genügend Daten zu sammeln.

Darüber hinaus verfügt moderne SCADA-Designersoftware über Rapid Application Development (RAD)-Fähigkeiten. Auf diese Weise können Benutzer Anwendungen selbst ohne Kenntnisse der Softwareentwicklung einfach entwerfen.

Die Einführung moderner IT-Praktiken und -Standards wie webbasierter 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 sie den Prozess der Integration in ERP- und MES-Systeme vereinfachen und einen nahtlosen Datenfluss durch die gesamte Organisation ermöglichen.

Somit ist SCADA ein System aus Hardware- und Softwareelementen, mit denen Industrieunternehmen:

• Steuern Sie industrielle Prozesse an entfernten Standorten oder lokal
• Überwachen, sammeln und verarbeiten Sie Daten in Echtzeit
• Direkte Interaktion mit Geräten wie Pumpen, Ventilen, Sensoren, Motoren und mehr über Human Machine Interface (HMI-Software)
• Zeichnen Sie alle Ereignisse in einer Protokolldatei auf

Die Grundlagen seiner Architektur beginnen mit Remote Terminal Units (RTUs) und Programmable Logic Controllers (PLCs). Diese beiden sind die Mikrocomputer, die mit einer Vielzahl von Objekten wie Sensoren, Endgeräten, HMIs und Fabrikmaschinen kommunizieren. RTUs und SPS leiten die Daten von den Objekten mithilfe von SCADA-Software an die Computer weiter.

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

Beispielsweise wendet sich das SCADA-System schnell an einen Bediener bezüglich einer Produktcharge, die Fehler aufweist. Der Bediener unterbricht den Betrieb, zeigt 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 Betreiber, das Problem zu identifizieren, rechtzeitig zu lösen und weitere Verluste zu vermeiden.

Komponenten eines SCADA-Systems

SCADA-Systeme verfügen über verschiedene Komponenten, die im Feld eingesetzt werden, um Daten in Echtzeit zu sammeln. Diese Komponenten ermöglichen die Erfassung von Daten und die Verbesserung der industriellen Automatisierung.

Lassen Sie uns jede Komponente im Detail besprechen.

#1. Sensoren und Aktoren

Ein Sensor ist ein Gerät oder System, das Eingangsfunktionen von industriellen Prozessen erkennt. Ein Aktuator ist ein Gerät, das den Mechanismus industrieller Prozesse steuert. Sensoren funktionieren wie ein Messgerät oder Messgerät, das den Status der Maschine anzeigt.

Ein Aktuator verhält sich wie eine Wählscheibe, ein Bedienelement oder ein Schalter, mit dem das Gerät gesteuert werden kann. Beide werden von SCADA-Feldcontrollern überwacht und gesteuert.

#2. SCADA-Feldcontroller

Die Feldcontroller sind direkt mit Aktoren und Sensoren verbunden. Dabei gibt es zwei Kategorien:

1. Remote Telemetry Units (RTUs) verbinden sich mit Sensoren, um Telemetriedaten zu sammeln und diese dann für die nächste Aktion an ein primäres System weiterzuleiten.
2. Programmable Logic Controllers (PLCs) bilden eine Schnittstelle mit den Stellgliedern, um industrielle Prozesse basierend auf aktueller Telemetrie, die die RTUs sammeln, aufrechtzuerhalten und zu steuern.

#3. SCADA-Überwachungscomputer

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

#4. HMI-Software

Diese Software bietet ein System, das Daten von den SCADA-Feldgeräten bestätigt und darstellt. Es ermöglicht den Bedienern auch, den Status der SCADA-gesteuerten Prozesse zu verstehen und zu ändern.

#5. Kommunikationsinfrastruktur

Die Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht SCADA-Überwachungssystemen die Kommunikation mit den Feldcontrollern und Feldgeräten. Dies ermöglicht 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: Es ist eine Grundlage von SCADA-Systemen, bei denen Sensoren Daten sammeln und diese an Feldcontroller liefern. Im Gegenzug füttern die Feldcontroller die Leitrechner mit Daten.
• Fernsteuerung: Dies wird durch die Steuerung der Feldaktoren erreicht, die auf den von Feldsensoren gesammelten Daten basiert.
• Vernetzte Datenkommunikation: Sie ermöglicht alle SCADA-Funktionen. Von Sensoren gesammelte Daten werden an die SCADA-Feldsteuergeräte übermittelt, die dann mit den SCADA-Überwachungscomputern kommunizieren. Der Fernsteuerbefehl wird von den Leitrechnern an die Stellantriebe 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: Es warnt die Bediener vor wichtigen Zuständen im SCADA-System. Es kann einfach konfiguriert werden, um Bediener zu benachrichtigen, wenn die Prozesse blockiert sind, einige Systeme ausfallen oder andere Aspekte gestoppt, gestartet oder angepasst werden müssen.
• Echtzeit- und historische Daten: Beides sind wesentliche Bestandteile des SCADA-Systems. Dadurch können Benutzer die Leistung des aktuellen Szenarios im Vergleich zu historischen Trends verfolgen.
• Berichterstellung: Dazu gehören Berichte über die Prozessleistung, den Systemstatus und benutzerdefinierte Berichte für bestimmte Verwendungszwecke.

Arbeiten von SCADA

Die SCADA-Systeme führen einige Funktionen aus, einschließlich Datenerfassung, Datenkommunikation, Informations-/Datenpräsentation und Überwachung/Steuerung. Diese Funktionen werden von den Komponenten des SCADA wie Sensoren, RTUs, Steuerungen, einem Kommunikationsnetzwerk usw. ausgeführt.

Die Sensoren werden verwendet, um wichtige Daten zu sammeln, und RTUs werden verwendet, um diese Daten an die Steuerung zu senden, um den Systemstatus anzuzeigen. Entsprechend dem Status gibt der Benutzer den Befehl an andere Komponenten, ihre Funktion auszuführen. Ein Kommunikationsnetzwerk übernimmt diese Funktion.

Hier werden wir jede Funktion besprechen, um das Arbeitsprinzip der SCADA-Systeme zu verstehen.

Datenerfassung

Ein Echtzeit-SCADA-System besteht aus vielen Sensoren und Komponenten, um Informationen zu sammeln und die Daten zur weiteren Verarbeitung zu senden.

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

Datenkommunikation

Die SCADA-Systeme verwenden ein kabelgebundenes Netzwerk, um Daten zwischen Benutzern und Geräten zu sammeln und zu übertragen. Echtzeit-SCADA-Anwendungen verwenden Komponenten und Sensoren, die ferngesteuert werden. Es nutzt auch die Internetkommunikation. Da Relais und Sensoren nicht kommunizieren können, werden RTUs verwendet, um Netzwerkschnittstellen und Sensoren zu kommunizieren.

Datenpräsentation

Die normalen Netzwerke bestehen aus Indikatoren, die zur Kontrolle sichtbar sind. In Echtzeit-SCADA-Anwendungen gibt es viele Alarme und Sensoren, die nicht gleichzeitig verwaltet werden können. Das SCADA-System verwendet HMI, um alle Daten bereitzustellen, die von verschiedenen Sensoren gesammelt wurden.

Überwachung und Kontrolle

Das SCADA-System verwendet verschiedene Schalter, um Geräte zu bedienen, und zeigt den Status des kontrollierten Bereichs an. Jeder Teil kann mit diesen Schaltern von der Station aus ein- und ausgeschaltet werden. Die SCADA-Anwendung ist so implementiert, dass sie automatisch ohne menschliches Eingreifen funktioniert. Nur in kritischen Situationen wird es 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 SCADA-Systeme der frühen oder ersten Generation werden als monolithische SCADA-Systeme bezeichnet. Dabei kommen Minicomputer zum Einsatz. Die Entwicklung monolithischer SCADA-Systeme kann erfolgen, wenn kein gemeinsamer Netzwerkdienst verfügbar ist. Das Design dieses Systems ist wie ein unabhängiges System, was bedeutet, dass das Design eines Systems nicht mit einem anderen System in Beziehung stehen muss.

Die Daten können von den RTUs gesammelt werden, indem ein Backup-Mainframe verwendet wird. Die entscheidende Funktion der Systeme der ersten Generation beschränkt sich auf das Melden von Prozessen und das Überwachen der Sensoren.

#2. Verteilte SCADA-Systeme

Verteilte SCADA-Systeme werden auch als Systeme der zweiten Generation bezeichnet. Durch die Anbindung an ein LAN werden die Steuerungsfunktionen auf verschiedene Systeme verteilt. Die Steueroperationen werden durch Befehlsverarbeitung und Teilen von Echtzeitdaten durchgeführt.

In diesem System werden die Kosten und die Größe jeder Station reduziert, aber es gibt keine konsistenten Netzwerkprotokolle.

#3. Vernetzte SCADA-Systeme

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

Die Datenübertragung zwischen den Knoten erfolgt über Glasfaser- oder Ethernet-Verbindungen. Dabei wird die SPS verwendet, um die Markierungsvorgänge anzupassen, zu überwachen und zu steuern, wenn dies erforderlich ist.

#4. IoT-SCADA-Systeme

IoT-SCADA-Systeme sind als Systeme der vierten Generation bekannt. Hier werden die Infrastrukturkosten des Systems durch die Implementierung von 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 mehreren Gründen skalierbar, z. B. bessere Verfügbarkeit unterstützter Software und Hardware, Nutzung von Cloud Computing zur Erfüllung der Arbeitslastanforderungen usw.
• Interoperabilität: Moderne SCADA-Systeme verlassen sich nicht auf proprietäre Soft- und Hardware, was zu keiner Herstellerabhängigkeit führt.
• Kommunikation: SCADA unterstützt moderne Kommunikationsprotokolle, die einen besseren Zugriff auf die Scada-Steuerungen und -Daten ermöglichen.
• Support: Moderne SCADA-Systeme werden von den Anbietern gut unterstützt. Die Verwendung offener Netzwerkstandards, moderner Softwareentwicklungsplattformen und kommerzieller Standardhardware macht auch Drittanbieter zugänglicher.

Einschränkungen von SCADA

Einige der Einschränkungen eines SCADA-Systems sind die folgenden:

• Es kommt mit komplexen Hardwareeinheiten und abhängigen Modulen.
• Es braucht Programmierer, erfahrene Bediener und Analysten für die Wartung.
• Die Installationskosten sind hoch.
• Viele spekulieren, dass SCADA helfen kann, die Arbeitslosenquote zu erhöhen.

Anwendungsfälle von SCADA

SCADA wird auf vielen Industrieböden verwendet, um die Verwaltung und Automatisierung industrieller Prozesse und Zwecke zu unterstützen, da diese Prozesse für die menschliche Steuerung und Überwachung komplex und umständlich geworden sind.

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

Die gängigen Branchenbeispiele der SCADA-Automatisierung sind wie folgt:

• Öl- und Gasraffinerien
• Stromerzeugung und -verteilung
• Chemische Herstellung
• Telekommunikationsinfrastruktur
• Herstellung und verwandte Prozesse
• Transport- und Schifffahrtsinfrastruktur
• Versorgungsinfrastrukturen wie Wasser- und Abfallkontrolle
• Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung

Mit Hilfe der SCADA-Technologie können diese Prozesse genau verfolgt und ordnungsgemäß gesteuert werden, um die Leistung im Laufe der Zeit zu verbessern. Effektive Systeme führen zu erheblichen Zeit- und Geldeinsparungen.

Die moderne Welt verwendet irgendeine Art von SCADA-Systemen. Einige Beispiele können sein – Wartung von Kühlsystemen, Gewährleistung der Produktionssicherheit in einer Raffinerie, Einholen von Qualitätsstandards in einer Kläranlage, Nachverfolgen des Energieverbrauchs bei Ihnen zu Hause und mehr.

So implementieren Sie eine SCADA-Lösung

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

• Definieren Sie klar, was Sie überwachen möchten, und verstehen Sie es
• Bestimmen Sie, welche Art von Daten Sie sammeln möchten und wie
• Fügen Sie Gateways hinzu, um sich den letzten Datenerfassungspunkten anzuschließen
• Erstellen Sie bei Bedarf Datenerfassungspunkte
• Zentralisieren Sie die Daten an dem gewünschten Überwachungsstandort
• Kartendaten in der SCADA-Anwendung Ihrer Wahl
• Fügen Sie Visualisierungen von Steuerelementen und Datenprozessen hinzu
• Definieren Sie Regeln und Automatisierung

Wenn Sie mit allem fertig sind, kümmert sich die SCADA-Software um den Rest. Es hilft Ihnen, mit der Einrichtung zu interagieren, Probleme zu melden, vorausschauende Wartung zu informieren und die Kontrolle über die Ausrüstung zu bieten.

Fazit

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

SCADA wird mit bestimmten Zielen implementiert. Wenn Sie es also in Ihrem Unternehmen implementieren möchten, ermitteln Sie Ihre Bedürfnisse und automatisieren Sie die Prozesse entsprechend.