初心者のための監視制御とデータ収集 (SCADA) の紹介

公開: 2022-10-29

SCADA は、産業組織が効率を維持し、システムの問題を伝達してダウンタイムを軽減し、データを処理してよりスマートな意思決定を行うのに役立ちます。

多くの産業プラント、遠隔地、および製造現場では、アナログダイヤルとプッシュボタンを使用して電気機器を手動で監視および制御する作業を人員に依存していました。

リモートサイトと産業フロアがスケールアウトし始めたため、長距離から電気機器を制御するためのより優れたソリューションが必要でした。一部の組織は、より優れたレベルの監視制御を提供するために、タイマーとリレーを使用し始めました。

タイマーとリレーは大きな問題を解決しますが、自動化機能は限定的です。ここでも、タイマーとリレーの構成が困難でした。コントロールパネルと障害検出は、より多くのスペースを占めていました。したがって、より多くの問題が発生し始めました。

こうした問題を解決するために導入されたのが「SCADA」という技術です。

SCADA の開始時の PLC とマイクロプロセッサの台頭は、組織が自動化されたプロセスを以前よりも監視および制御するのに役立ちます。

この記事では、SCADA、その用途、機能、コンポーネント、タイプなどについて説明します。

はじめましょう！

SCADAとは？

Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) は、遠隔地からリアルタイムでデータを収集して機器の状態を制御するなど、業界が産業プロセスを制御できるようにするアプリケーションの一種です。データ主導の意思決定をリアルタイムで展開するために必要な多くのツールを提供します。

SCADA は、1970 年代以来、多くの産業用監視および制御プロセスを解決してきました。

90 年代後半から 2000 年代前半にかけて、SCADA はベンダー固有ではないオープンシステムアーキテクチャと通信プロトコルを採用することで変化を遂げました。これは、システムが他のベンダーと通信できるようにするイーサネットなどの通信技術を活用し、古い SCADA システムの制限を引き上げました。

最新の SCADA システムにより、産業フロアは世界中のどこからでもリアルタイムデータにアクセスできます。このアクセスにより、企業、個人、および政府は、プロセスを強化する方法についてより適切な決定を下すことができます。 SCADA ソフトウェアがなければ、十分なデータを収集することは不可能です。

さらに、最新の SCADA デザイナーソフトウェアには、Rapid Application Development (RAD) 機能があります。これにより、ユーザーはソフトウェア開発の知識がなくても簡単にアプリケーションを設計できます。

Web ベースのアプリケーションや SQL などの最新の IT プラクティスと標準を SCADA ソフトウェアに導入することで、SCADA システムのセキュリティ、信頼性、生産性、および効率が向上しました。

SQL データベースを使用する大きな利点は、ERP および MES システムへの統合プロセスが容易になり、データが組織全体をシームレスに流れるようになることです。

したがって、SCADA はハードウェアおよびソフトウェア要素のシステムであり、産業組織は次のことを行うことができます。

遠隔地またはローカルでの産業プロセスの制御
データをリアルタイムで監視、収集、処理する
ヒューマンマシンインターフェース (HMI ソフトウェア) を介して、ポンプ、バルブ、センサー、モーターなどのデバイスと直接対話します。
すべてのイベントをログファイルに記録する

そのアーキテクチャの基本は、リモートターミナルユニット (RTU) とプログラマブルロジックコントローラ (PLC) から始まります。この 2 つは、センサー、エンドデバイス、HMI、工場の機械など、さまざまなオブジェクトと通信するマイクロコンピューターです。 RTU と PLC は、SCADA ソフトウェアを使用してオブジェクトからコンピューターにデータをルーティングします。

ただし、SCADA ソフトウェアはデータを処理、表示、および配布し、従業員とオペレーターが情報を分析して重要な決定を下すのに役立ちます。

たとえば、SCADA システムは、エラーを示す製品のバッチに関してオペレーターに迅速に対処します。オペレーターは操作を一時停止し、HMI を介してシステムデータを表示し、問題の原因を特定します。次に、オペレーターは情報を確認し、「マシン 4」が機能していないことを発見します。

このように、SCADA システムは、オペレーターが問題を特定し、時間通りに解決し、さらなる損失を防ぐのに役立ちます。

SCADA システムのコンポーネント

SCADA システムには、リアルタイムでデータを収集するために現場に配備されるさまざまなコンポーネントがあります。これらのコンポーネントにより、データの収集と産業オートメーションの強化が可能になります。

各コンポーネントについて詳しく説明しましょう。

＃1。センサーとアクチュエーター

センサーは、産業プロセスからの入力機能を検出するデバイスまたはシステムです。アクチュエーターは、産業プロセスのメカニズムを制御するデバイスです。センサーは、機械の状態を表示するメーターまたはゲージのように機能します。

アクチュエータは、デバイスの制御に使用できるダイヤル、コントロール、またはスイッチのように機能します。両方とも、SCADA フィールドコントローラによって監視および制御されます。

＃2。 SCADA フィールドコントローラ

フィールドコントローラは、アクチュエータおよびセンサと直接インターフェースします。これには 2 つのカテゴリがあります。

リモートテレメトリユニット (RTU)はセンサーとインターフェイスしてテレメトリデータを収集し、次のアクションのためにプライマリシステムに転送します。
プログラマブルロジックコントローラー (PLC)は、アクチュエーターとインターフェイスして、RTU が収集する現在のテレメトリーに基づいて産業プロセスを維持および制御します。

＃3。 SCADA 監視コンピュータ

スーパーバイザコンピュータは、SCADA に関連するすべてのプロセスを制御します。それらは、産業プロセスを制御するために、フィールドデバイスからデータを収集し、デバイスにコマンドを送信するために使用されます。

＃4。 HMI ソフトウェア

このソフトウェアは、SCADA フィールド機器からのデータを確認して提示するシステムを提供します。また、オペレーターは SCADA 制御プロセスのステータスを理解し、変更することもできます。

＃5。通信インフラ

通信インフラストラクチャにより、SCADA 監視システムはフィールドコントローラおよびフィールドデバイスと通信できます。これにより、SCADA システムはフィールドデバイスからデータを収集し、これらのデバイスを制御することもできます。

SCADAシステムの特長

SCADA システムには、特定のアプリケーションや業界向けの特別な機能が含まれており、ほとんどのシステムは次の機能をサポートしています。

データ収集:これは、センサーがデータを収集してフィールドコントローラーに配信する SCADA システムの基盤です。代わりに、フィールドコントローラーはデータを SCADA コンピューターに送ります。
リモート制御:フィールドセンサーから収集されたデータに基づくフィールドアクチュエーターの制御によって実現されます。
ネットワーク化されたデータ通信:すべての SCADA 機能が可能です。センサーから収集されたデータは SCADA フィールドコントローラーに送信され、SCADA フィールドコントローラーは SCADA 監視コンピューターと通信します。リモート制御コマンドは、監視コンピュータからアクチュエータに送信されます。

データ表示: SCADA システムを実行するためにオペレーターが必要とする現在および過去のデータを表す HMI によって実現されます。
アラーム: SCADA システムの重要な状態をオペレータに警告します。プロセスがブロックされたとき、一部のシステムに障害が発生したとき、またはその他の側面で停止、開始、または調整が必要なときにオペレーターに通知するように簡単に構成できます。
リアルタイムデータと履歴データ:どちらも SCADA システムの重要な部分です。これにより、ユーザーは過去の傾向に照らして現在のシナリオのパフォーマンスを追跡できます。
レポート:これには、プロセスパフォーマンス、システムステータス、および特定の用途向けにカスタマイズされたレポートに関するレポートが含まれます。

SCADAの働き

SCADA システムは、データ取得、データ通信、情報/データ表示、監視/制御などの機能を実行します。これらの機能は、センサー、RTU、コントローラー、通信ネットワークなどの SCADA のコンポーネントによって実行されます。

センサーは重要なデータを収集するために使用され、RTU はこのデータをコントローラーに送信してシステムのステータスを表示するために使用されます。ステータスに応じて、ユーザーは他のコンポーネントにコマンドを与えて、その機能を実行します。通信ネットワークがこの機能を果たします。

ここでは、SCADA システムの動作原理を理解するために、各機能について説明します。

データ取得

リアルタイム SCADA システムは、情報を収集し、さらに処理するためにデータを送信するための多くのセンサーとコンポーネントで構成されています。

たとえば、貯水池から水タンクへの水の流れを測定するセンサーもあれば、貯水池から水が放出される際の圧力を測定するセンサーもあります。ここでは、センサーがさまざまな種類のデータを取得して、すべてのプロセスが順調に進んでいるかどうかを把握します。

データ通信

SCADA システムは有線ネットワークを使用して、ユーザーとデバイス間でデータを収集および転送します。リアルタイム SCADA アプリケーションは、リモートで制御されるコンポーネントとセンサーを使用します。インターネット通信も利用します。リレーとセンサーは通信できないため、ネットワークインターフェイスとセンサーの通信には RTU が使用されます。

データのプレゼンテーション

通常のネットワークは、制御するために表示されるインジケーターで構成されています。リアルタイム SCADA アプリケーションでは、一度に管理するのが不可能な多数のアラームとセンサーがあります。 SCADA システムは、HMI を使用して、さまざまなセンサーから収集されたすべてのデータを提供します。

監視と制御

SCADAシステムは、各種スイッチで機器を操作し、管理区域の状態を表示します。これらのスイッチを使用して、ステーションから任意のパーツをオン/オフできます。 SCADA アプリケーションは、人間の介入なしで自動的に機能するように実装されています。危機的な状況でのみ、人間によって処理されます。

SCADAの種類

SCADA システムは、モノリシック SCADA システム、分散型 SCADA システム、ネットワーク型 SCADA システム、IoT SCADA システムの 4 つのタイプに分類されます。

＃1。モノリシック SCADA システム

初期または第 1 世代の SCADA システムは、モノリシック SCADA システムとして知られています。これにはミニコンが使われています。モノリシック SCADA システムの開発は、共通のネットワークサービスが利用できない場合に行うことができます。このシステムの設計は、独立したシステムのようなものです。つまり、あるシステムの設計が別のシステムに関連している必要はありません。

データは、バックアップメインフレームを使用して RTU から収集できます。第 1 世代システムの重要な機能は、プロセスのフラグ設定とセンサーの監視に限定されています。

＃2。分散型 SCADA システム

分散型 SCADA システムは、第 2 世代システムとも呼ばれます。 LANで接続することにより、各種システムに制御機能を分散。制御操作は、コマンド処理とリアルタイムデータの共有によって実行されます。

このシステムでは、各ステーションのコストとサイズが削減されますが、一貫したネットワークプロトコルはありません。

＃3。ネットワーク化された SCADA システム

ネットワーク化された SCADA システムは、第 3 世代システムとして知られています。現在の SCADA システムの通信ネットワークは、電話またはデータ回線を介して WAN システムを介して機能します。

ノード間のデータ伝送は、光ファイバーまたはイーサネット接続を使用して行われます。これは、PLC を使用して、必要に応じてフラグ操作を調整、監視、および制御します。

＃4。 IoT SCADA システム

IoT SCADA システムは、第 4 世代システムとして知られています。ここでは、クラウドコンピューティングを介して IoT を実装することで、システムのインフラストラクチャコストを最小限に抑えます。これらのシステムの統合と保守は、他のシステムよりも簡単です。

リアルタイムシステムでは、クラウドコンピューティングを通じてコンポーネントまたはデバイスの状態を簡単に報告できます。

SCADAの利点

SCADA システムの利点は次のとおりです。

スケーラビリティ:最新の SCADA システムは、サポートされているソフトウェアとハードウェアの可用性の向上、ワークロードの需要を満たすためのクラウドコンピューティングの使用など、いくつかの理由でスケーラブルです。
相互運用性:最新の SCADA システムは、独自のソフトウェアとハードウェアに依存していないため、ベンダーロックインは発生しません。
通信: SCADA は、Scada の制御とデータへのアクセスを容易にする最新の通信プロトコルをサポートしています。
サポート:最新の SCADA システムは、ベンダーによって十分にサポートされています。オープンネットワーキング標準、最新のソフトウェア開発プラットフォーム、市販の市販ハードウェアを使用することで、サードパーティベンダーも利用しやすくなります。

SCADAの限界

SCADA システムの制限の一部を以下に示します。

複雑なハードウェアユニットと依存モジュールが付属しています。
メンテナンスには、プログラマー、熟練したオペレーター、およびアナリストが必要です。
設置費用が高い。
多くの人は、SCADA が失業率の上昇に役立つと推測しています。

SCADAのユースケース

SCADA は多くの産業フロアで使用され、産業プロセスと目的の管理と自動化を支援します。これらのプロセスは人間による制御と監視が複雑で面倒になっているためです。

SCADA は、特に無駄を最小限に抑えて効率を高めることが可能な場合に、リモートで制御および監視できるプロセスに役立ちます。

SCADA 自動化の一般的な業界の例は次のとおりです。

石油・ガス精製事業
発電と配電
化学品製造
通信インフラ
製造および関連プロセス
輸送・配送インフラ
水や廃棄物管理などの公共インフラ
食品および飲料加工

SCADA テクノロジーの助けを借りて、これらのプロセスを綿密に追跡し、適切に制御して、時間の経過とともにパフォーマンスを向上させることができます。効果的なシステムは、お金と時間を大幅に節約します。

現代の世界では、ある種の SCADA システムが使用されています。例としては、冷凍システムの維持、製油所での生産の安全性の確保、廃水処理プラントでの品質基準の取得、家庭でのエネルギー使用の追跡などがあります。

SCADA ソリューションの実装方法

SCADA システムを実装する際には、次の重要な手順を考慮する必要があります。

監視したいものを明確に定義し、それを理解する
収集するデータの種類と収集方法を決定する
ゲートウェイを追加して最近のデータ収集ポイントに参加する
必要に応じてデータ収集ポイントを作成する
必要な監視場所にデータを一元化
選択した SCADA アプリケーションでデータをマッピング
コントロールとデータプロセスの視覚化を追加する
ルールと自動化を定義する

すべての作業が完了すると、残りは SCADA ソフトウェアが処理します。施設と対話し、問題を警告し、予知保全に通知し、機器を制御するのに役立ちます。

結論

SCADA は、産業プロセスとデータを制御および管理し、システムの問題を検出し、それらを伝達して迅速に修正するための効率的な方法を提供します。そのため、すべてを手動で行ったり、時間とお金を無駄にしたりする代わりに、SCADA システムを使用してこれらのプロセスを自動化できます。

SCADA は特定の目標を持って実装されます。そのため、社内で実装する場合は、ニーズを判断し、それに応じてプロセスを自動化してください。