Wprowadzenie do kontroli nadzorczej i akwizycji danych (SCADA) dla początkujących

SCADA pomaga organizacjom przemysłowym w utrzymaniu wydajności, informowaniu o problemach systemowych w celu ograniczenia przestojów oraz przetwarzaniu danych w celu podejmowania mądrzejszych decyzji.

Wiele zakładów przemysłowych, odległych miejsc i hal produkcyjnych polegało na personelu, który ręcznie monitorował i ręcznie sterował urządzeniami elektrycznymi za pomocą analogowych tarcz i przycisków.

Ponieważ odległe lokalizacje i hale przemysłowe zaczęły się powiększać, potrzebowali lepszych rozwiązań do sterowania urządzeniami elektrycznymi z dużych odległości. Niektóre organizacje zaczęły używać timerów i przekaźników, aby zapewnić lepszy poziom kontroli nadzorczej.

Chociaż timery i przekaźniki rozwiązują duże problemy, zapewniają ograniczoną funkcjonalność automatyzacji. Ponownie, timery i przekaźniki były trudne do skonfigurowania. Panele sterowania i wykrywanie usterek zajmowały więcej miejsca. W związku z tym zaczęły pojawiać się kolejne problemy.

Aby rozwiązać tego rodzaju problemy, wprowadzono technologię „SCADA”.

Pojawienie się sterowników PLC i mikroprocesorów podczas uruchamiania systemu SCADA pomaga organizacjom monitorować i kontrolować zautomatyzowane procesy w większym stopniu niż wcześniej.

W tym artykule omówię SCADA, jego zastosowania, funkcje, komponenty, typy i nie tylko.

Zaczynajmy!

Co to jest SCADA?

Monitoring Control and Data Acquisition (SCADA) to rodzaj aplikacji, która pozwala przemysłowi kontrolować swoje procesy przemysłowe, takie jak gromadzenie danych z odległych lokalizacji w czasie rzeczywistym w celu kontrolowania stanu sprzętu. Oferuje wiele narzędzi potrzebnych do wdrażania decyzji opartych na danych w czasie rzeczywistym.

Od lat 70. SCADA rozwiązała wiele przemysłowych procesów monitorowania i sterowania.

Pod koniec lat 90. i na początku 2000 r. SCADA wprowadziła zmianę, przejmując otwartą architekturę systemu oraz protokoły komunikacyjne, które nie są specyficzne dla dostawcy. To wykorzystało technologie komunikacyjne, takie jak Ethernet, które umożliwiły systemom komunikację z innymi dostawcami, podnosząc ograniczenia w starszych systemach SCADA.

Nowoczesne systemy SCADA umożliwiają stropom przemysłowym dostęp do danych w czasie rzeczywistym z dowolnego miejsca na świecie. Ten dostęp umożliwia firmom, osobom fizycznym i rządom podejmowanie lepszych decyzji dotyczących usprawnienia ich procesów. Zebranie wystarczającej ilości danych będzie niemożliwe bez oprogramowania SCADA.

Ponadto nowoczesne oprogramowanie do projektowania SCADA ma możliwości szybkiego tworzenia aplikacji (RAD). Pozwala to użytkownikom na łatwe projektowanie aplikacji nawet przy zerowej wiedzy na temat tworzenia oprogramowania.

Wprowadzenie do oprogramowania SCADA nowoczesnych praktyk i standardów IT, takich jak aplikacje internetowe i SQL, poprawiło bezpieczeństwo, niezawodność, produktywność i wydajność systemów SCADA.

Dużą zaletą korzystania z baz SQL jest to, że ułatwia to proces integracji z systemami ERP i MES, umożliwiając płynny przepływ danych przez całą organizację.

Zatem SCADA jest systemem elementów sprzętowych i programowych, który pozwala organizacjom przemysłowym:

• Kontroluj procesy przemysłowe w odległych lokalizacjach lub lokalnie
• Monitoruj, zbieraj i przetwarzaj dane w czasie rzeczywistym
• Bezpośrednia interakcja z urządzeniami, takimi jak pompy, zawory, czujniki, silniki i inne, za pośrednictwem interfejsu człowiek-maszyna (oprogramowanie HMI)
• Zapisz wszystkie zdarzenia w pliku dziennika

Podstawy jego architektury zaczynają się od zdalnych terminali (RTU) i programowalnych sterowników logicznych (PLC). Te dwa mikrokomputery komunikują się z szeroką gamą obiektów, takich jak czujniki, urządzenia końcowe, interfejsy HMI i maszyny fabryczne. RTU i PLC kierują dane z obiektów do komputerów za pomocą oprogramowania SCADA.

Jednak oprogramowanie SCADA przetwarza, wyświetla i dystrybuuje dane, pomagając pracownikom i operatorom analizować informacje i podejmować ważne decyzje.

Na przykład system SCADA szybko zwraca się do operatora w sprawie partii produktów, które wykazują błędy. Operator wstrzymuje działanie, przegląda dane systemowe za pośrednictwem interfejsu HMI i określa przyczynę problemu. Następnie operator przegląda informacje i odkrywa, że ​​„Maszyna 4” nie działa.

W ten sposób system SCADA pomaga operatorowi zidentyfikować problem, rozwiązać go na czas i zapobiec dalszym stratom.

Elementy systemu SCADA

Systemy SCADA mają różne komponenty, które są wdrażane w terenie w celu gromadzenia danych w czasie rzeczywistym. Komponenty te umożliwiają gromadzenie danych i ulepszanie automatyki przemysłowej.

Omówmy szczegółowo każdy składnik.

# 1. Czujniki i elementy wykonawcze

Czujnik to urządzenie lub system wykrywający funkcje wejściowe procesów przemysłowych. Siłownik to urządzenie sterujące mechanizmem procesów przemysłowych. Czujniki działają jak miernik lub wskaźnik, który wyświetla stan maszyny.

Siłownik działa jak pokrętło, element sterujący lub przełącznik, którego można użyć do sterowania urządzeniem. Oba są monitorowane i kontrolowane przez kontrolery terenowe SCADA.

#2. Sterowniki terenowe SCADA

Kontrolery polowe współpracują bezpośrednio z siłownikami i czujnikami. Są w tym dwie kategorie:

1. Zdalne jednostki telemetryczne (RTU) łączą się z czujnikami w celu gromadzenia danych telemetrycznych, a następnie przekazują je do systemu podstawowego w celu wykonania następnej czynności.
2. Programowalne sterowniki logiczne (PLC) łączą się z siłownikami w celu utrzymania i sterowania procesami przemysłowymi w oparciu o aktualną telemetrię zbieraną przez RTU.

#3. Komputery nadzorujące SCADA

Komputery nadzorcze sterują wszystkimi procesami związanymi ze SCADA. Służą do zbierania danych z urządzeń polowych oraz do wysyłania do urządzeń poleceń w celu sterowania procesami przemysłowymi.

#4. Oprogramowanie HMI

Oprogramowanie to zapewnia system, który potwierdza i prezentuje dane z urządzeń polowych SCADA. Umożliwia również operatorom zrozumienie i modyfikację stanu procesów kontrolowanych przez SCADA.

#5. Infrastruktura komunikacyjna

Infrastruktura komunikacyjna umożliwia systemom nadzoru SCADA komunikację ze sterownikami polowymi i urządzeniami polowymi. Umożliwia to również systemom SCADA gromadzenie danych z urządzeń polowych i sterowanie tymi urządzeniami.

Cechy systemów SCADA

Systemy SCADA zawierają specjalne funkcje dla określonych aplikacji lub branż, a większość systemów obsługuje następujące funkcje:

• Akwizycja danych: Jest to podstawa systemów SCADA, w których czujniki zbierają dane i dostarczają je do kontrolerów terenowych. W zamian kontrolery terenowe przesyłają dane do komputerów SCADA.
• Zdalne sterowanie: Osiąga się to poprzez sterowanie siłownikami polowymi na podstawie danych zebranych z czujników polowych.
• Transmisja danych w sieci: Umożliwia wszystkie funkcje SCADA. Dane zebrane z czujników są przesyłane do sterowników terenowych SCADA, które następnie komunikują się z komputerami nadzorującymi SCADA. Polecenie zdalnego sterowania jest przesyłane z powrotem do siłowników z komputerów nadrzędnych.

• Prezentacja danych: Odbywa się to poprzez interfejsy HMI reprezentujące aktualne i historyczne dane potrzebne operatorom do obsługi systemu SCADA.
• Alarm: Alarmuje operatorów o istotnych stanach w systemie SCADA. Można go łatwo skonfigurować tak, aby powiadamiał operatorów o zablokowaniu procesów, awarii niektórych systemów lub konieczności zatrzymania, uruchomienia lub regulacji innych aspektów.
• Dane w czasie rzeczywistym i dane historyczne: Oba są podstawowymi częściami systemu SCADA. Umożliwi to użytkownikom śledzenie wydajności bieżącego scenariusza w porównaniu z trendami historycznymi.
• Raportowanie: Obejmuje to raporty dotyczące wydajności procesu, stanu systemu oraz raporty dostosowane do określonych zastosowań.

Działanie SCADA

Systemy SCADA realizują pewne funkcje, w tym akwizycję danych, komunikację danych, prezentację informacji/danych oraz monitoring/sterowanie. Funkcje te są realizowane przez komponenty systemu SCADA, takie jak czujniki, jednostki RTU, sterowniki, sieć komunikacyjna itp.

Czujniki służą do zbierania niezbędnych danych, a jednostki RTU służą do wysyłania tych danych do kontrolera w celu wyświetlenia stanu systemu. W zależności od statusu, użytkownik wydaje polecenia innym komponentom, aby wykonały swoją funkcję. Sieć komunikacyjna spełnia tę funkcję.

Tutaj omówimy każdą funkcję, aby zrozumieć zasadę działania systemów SCADA.

Pozyskiwanie danych

System SCADA działający w czasie rzeczywistym składa się z wielu czujników i komponentów zbierających informacje i przesyłających dane do dalszego przetwarzania.

Na przykład, niektóre czujniki mierzą przepływ wody ze zbiornika do zbiornika wody, a inne czujniki mierzą ciśnienie, gdy woda jest uwalniana ze zbiornika. Tutaj czujniki pozyskują różne rodzaje danych, aby zrozumieć, czy wszystkie procesy przebiegają bezproblemowo.

Komunikacja danych

Systemy SCADA wykorzystują sieć przewodową do zbierania i przesyłania danych pomiędzy użytkownikami i urządzeniami. Aplikacje SCADA działające w czasie rzeczywistym wykorzystują komponenty i czujniki, które są sterowane zdalnie. Wykorzystuje również komunikację internetową. Ponieważ przekaźniki i czujniki nie mogą się komunikować, RTU są używane do komunikacji interfejsów sieciowych i czujników.

Prezentacja danych

Normalne sieci składają się ze wskaźników, które są widoczne w celu kontroli. W aplikacjach SCADA czasu rzeczywistego istnieje wiele alarmów i czujników, którymi nie można zarządzać jednocześnie. System SCADA wykorzystuje HMI do oferowania wszystkich danych zebranych z różnych czujników.

Monitorowanie i kontrolowanie

System SCADA wykorzystuje różne przełączniki do obsługi urządzeń i wyświetla stan kontrolowanego obszaru. Każdą część można włączyć/wyłączyć ze stacji za pomocą tych przełączników. Aplikacja SCADA jest zaimplementowana do pracy automatycznej bez jakiejkolwiek ingerencji człowieka. Tylko w krytycznych sytuacjach poradzi sobie z nim człowiek.

Rodzaje SCADA

Systemy SCADA są podzielone na cztery typy, w tym monolityczne systemy SCADA, rozproszone systemy SCADA, sieciowe systemy SCADA i systemy IoT SCADA.

# 1. Monolityczne systemy SCADA

Systemy SCADA wczesnej lub pierwszej generacji są znane jako monolityczne systemy SCADA. W tym celu wykorzystywane są minikomputery. Rozwój monolitycznych systemów SCADA można wykonać, gdy wspólna usługa sieciowa nie jest dostępna. Projekt tego systemu przypomina niezależny system, co oznacza, że ​​projekt jednego systemu nie musi być powiązany z innym systemem.

Dane mogą być zbierane z jednostek RTU przy użyciu zapasowego komputera typu mainframe. Kluczowa funkcja systemów pierwszej generacji ogranicza się do oznaczania procesów i monitorowania czujników.

#2. Rozproszone systemy SCADA

Rozproszone systemy SCADA nazywane są również systemami drugiej generacji. Funkcje sterowania są rozdzielane na różne systemy poprzez połączenie z siecią LAN. Operacje kontrolne realizowane są poprzez przetwarzanie poleceń i udostępnianie danych w czasie rzeczywistym.

W tym systemie koszt i rozmiar każdej stacji są zmniejszone, ale nie ma spójnych protokołów sieciowych.

#3. Sieciowe systemy SCADA

Sieciowe systemy SCADA są znane jako systemy trzeciej generacji. Sieć komunikacyjna współczesnych systemów SCADA działa poprzez system WAN poprzez telefony lub łącza danych.

Transmisja danych pomiędzy węzłami odbywa się za pomocą łączy światłowodowych lub Ethernet. Wykorzystuje PLC do regulacji, monitorowania i kontrolowania operacji oznaczania, gdy zajdzie taka potrzeba.

#4. Systemy SCADA IoT

Systemy IoT SCADA znane są jako systemy czwartej generacji. W tym przypadku koszt infrastruktury systemu jest zminimalizowany dzięki wdrożeniu IoT za pośrednictwem przetwarzania w chmurze. Integracja i utrzymanie tych systemów jest łatwiejsze niż innych.

W systemie czasu rzeczywistego stan komponentów lub urządzeń można łatwo raportować za pośrednictwem przetwarzania w chmurze.

Korzyści SCADA

Zalety systemów SCADA są następujące:

• Skalowalność: Nowoczesne systemy SCADA są skalowalne z kilku powodów, takich jak lepsza dostępność obsługiwanego oprogramowania i sprzętu, wykorzystanie przetwarzania w chmurze w celu zaspokojenia zapotrzebowania na obciążenia itp.
• Interoperacyjność: Nowoczesne systemy SCADA nie polegają na zastrzeżonym oprogramowaniu i sprzęcie, co skutkuje brakiem uzależnienia od dostawcy.
• Komunikacja: SCADA obsługuje nowoczesne protokoły komunikacyjne, które umożliwiają większy dostęp do elementów sterujących i danych SCADA.
• Wsparcie: Nowoczesne systemy SCADA są dobrze wspierane przez dostawców. Korzystanie z otwartych standardów sieciowych, nowoczesnych platform do tworzenia oprogramowania i komercyjnego gotowego sprzętu sprawia, że ​​​​zewnętrzni dostawcy są również bardziej dostępni.

Ograniczenia SCADA

Oto niektóre ograniczenia systemu SCADA:

• Zawiera złożone jednostki sprzętowe i zależne moduły.
• Do konserwacji potrzebuje programistów, wykwalifikowanych operatorów i analityków.
• Koszt instalacji jest wysoki.
• Wielu spekuluje, że SCADA może pomóc w zwiększeniu stopy bezrobocia.

Przypadki użycia SCADA

SCADA jest używany na wielu halach przemysłowych do wspomagania zarządzania i automatyzacji procesów i celów przemysłowych, ponieważ procesy te stały się złożone i uciążliwe dla ludzkiej kontroli i monitorowania.

SCADA jest przydatna w procesach, które mogą być sterowane i monitorowane zdalnie, zwłaszcza w przypadku, gdy możliwe jest zminimalizowanie strat i zwiększenie wydajności.

Typowe branżowe przykłady automatyzacji SCADA są następujące:

• Operacje rafinacji ropy i gazu
• Wytwarzanie i dystrybucja energii elektrycznej
• Produkcja chemiczna
• Infrastruktura telekomunikacyjna
• Produkcja i procesy z nią związane
• Infrastruktura transportowa i spedycyjna
• Infrastruktura użyteczności publicznej, taka jak kontrola wody i odpadów
• Przetwarzanie żywności i napojów

Z pomocą technologii SCADA procesy te mogą być ściśle śledzone i odpowiednio kontrolowane w celu poprawy wydajności w czasie. Efektywne systemy skutkują znaczną oszczędnością pieniędzy i czasu.

Współczesny świat wykorzystuje pewnego rodzaju systemy SCADA. Przykładami mogą być konserwacja systemów chłodniczych, zapewnienie bezpieczeństwa produkcji w rafinerii, uzyskanie standardów jakości w oczyszczalni ścieków, śledzenie zużycia energii w domu i nie tylko.

Jak wdrożyć rozwiązanie SCADA

Podczas wdrażania systemu SCADA należy wziąć pod uwagę następujące ważne kroki:

• Jasno zdefiniuj, co chcesz monitorować i zrozum to
• Określ, jakiego rodzaju dane chcesz gromadzić i w jaki sposób
• Dodaj bramki, aby dołączyć do ostatnich punktów gromadzenia danych
• W razie potrzeby utwórz punkty gromadzenia danych
• Scentralizuj dane w wybranej lokalizacji monitorowania
• Dane mapowe w wybranej aplikacji SCADA
• Dodaj wizualizacje kontrolek i procesów danych
• Zdefiniuj reguły i automatyzację

Gdy już wszystko zrobisz, oprogramowanie SCADA zajmie się resztą. Pomaga w interakcji z obiektem, ostrzega o problemach, informuje o konserwacji zapobiegawczej i oferuje kontrolę nad sprzętem.

Wniosek

SCADA oferuje skuteczny sposób kontrolowania i zarządzania procesami przemysłowymi i danymi oraz wykrywania problemów systemowych i komunikowania ich w celu szybkiego rozwiązania. Zamiast więc robić wszystko ręcznie lub tracić czas i pieniądze, możesz zautomatyzować te procesy za pomocą systemu SCADA.

SCADA jest wdrażana z określonymi celami. Jeśli więc chcesz wdrożyć go w swojej firmie, określ swoje potrzeby i odpowiednio zautomatyzuj procesy.