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Fünf Begriffe, mit denen Sie vertraut sein MÜSSEN: SCADA, DCS, SPS, RTU und Smart Instrument

Ähnlich, aber nicht dasselbe

Dieser technische Artikel beleuchtet die Terminologieim Bereich SCADA und Industrieautomation eingesetzt. Die Begriffe SCADA, Distributed Control System (DCS), Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Remote Terminal Unit (RTU) und Smart Instrument sind sehr wichtig, wenn wir über das Konzept eines industriellen Telemetriesystems sprechen.

Fünf Begriffe, mit denen Sie vertraut sein MÜSSEN: SCADA, DCS, SPS, RTU und Smart Instrument

Fünf Begriffe, mit denen Sie vertraut sein MÜSSEN: SCADA, DCS, SPS, RTU und Smart Instrument (auf dem Foto: SPS-Bedienfeld)

Lassen Sie uns diese fünf Begriffe näher beleuchten:

  1. SCADA
  2. Distributed Control System (DCS)
  3. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
  4. Remote Terminal Unit (RTU) und
  5. Intelligentes Instrument

1. SCADA-System

Ein SCADA-System (oder ein Überwachungs- und Datenerfassungs-) System bezeichnet ein System bestehend aus eine Reihe von Remote-Terminal-Einheiten (oder RTUs) Sammeln von Felddaten, die über ein Kommunikationssystem mit einer Master-Station verbunden sind.

Die Hauptstation zeigt die erfassten Daten an und ermöglicht es dem Bediener, Fernsteuerungsaufgaben auszuführen.

Die genauen und zeitnahen Daten (normalerweise Echtzeit)ermöglicht die Optimierung des Betriebs der Anlage und des Prozesses. Ein weiterer Vorteil ist effizienter, zuverlässiger und vor allem sicherer. Dies alles führt zu niedrigeren Betriebskosten im Vergleich zu früheren nicht automatisierten Systemen.

Zwischen der Definition der SCADA-Systeme und dem Prozesssteuerungssystem besteht ein gewisses Maß an Verwirrung. SCADA ist mit der Fern- oder Fernsteuerung verbunden.

Die unvermeidliche Frage ist, wie weit „entfernt“ ist - In der Regel bedeutet dies eine solche Entfernungder Abstand zwischen dem Steuerort und dem gesteuerten Ort ist so, dass eine Direktdrahtsteuerung nicht praktikabel ist (d. h. eine Kommunikationsverbindung ist eine kritische Komponente des Systems).

Eine erfolgreiche SCADA-Installation hängt von ab Anwendung bewährter und zuverlässiger Technologie mit angemessener und umfassender Schulung aller Mitarbeiter für den Betrieb des Systems.

Es gibt eine Geschichte von erfolglosen SCADA-Systemen - zu diesen Systemen trägt die unzureichende Integration der verschiedenen Systemkomponenten bei
unnötige Komplexität des Systems, unzuverlässige Hardware und nicht nachgewiesene Software.

Die Zuverlässigkeit der Hardware ist heute weniger problematisch. Die zunehmende Komplexität der Software führt jedoch zu neuen Herausforderungen.

Es sollte nebenbei bemerkt werden, dass viele BetreiberBeurteilen Sie ein SCADA-System nicht nur anhand der reibungslosen Leistung der RTUs, der Kommunikationsverbindungen und der Hauptstation (alle unter dem Dach des SCADA-Systems), sondern auch der Feldgeräte (sowohl Wandler als auch Steuergeräte).

Die Feldgeräte fallen jedoch nicht in den Geltungsbereich von SCADA in diesem Handbuch und werden nicht weiter erörtert. Ein Diagramm eines typischen SCADA-Systems ist unten angegeben.

Diagramm eines typischen SCADA-Systems

Abbildung 1 - Diagramm eines typischen SCADA-Systems

In einem komplexeren SCADA-System gibt es im Wesentlichen fünf Ebenen oder Hierarchien:

  1. Geräte und Steuergeräte auf Feldebene
  2. Marshalling-Terminals und RTUs
  3. Kommunikationssystem
  4. Die Hauptstation (en)
  5. Das Computersystem der kaufmännischen Datenverarbeitung

Die RTU bietet eine Schnittstelle zu den analogen und digitalen Feldsignalen an jedem entfernten Standort.

Das Kommunikationssystem stellt den Weg für die Kommunikation zwischen der Hauptstation und den entfernten Standorten bereit. Dieses Kommunikationssystem kann Funk, Telefonleitung, Mikrowelle und möglicherweise sogar Satellit sein. Spezifische Protokolle und Fehlererkennungsphilosophien werden für eine effiziente und optimale Datenübertragung verwendet.

Die Master-Station (und die Submaster) sammeln Datenvon den verschiedenen RTUs und bieten im Allgemeinen eine Bedienerschnittstelle zur Anzeige von Informationen und zur Steuerung der entfernten Standorte. In großen Telemetriesystemen sammeln Submaster-Standorte Informationen von entfernten Standorten und fungieren als Relais zur Leitstation.

SCADA-Technologie gibt es seit den frühen sechziger Jahren und es sind jetzt zwei andere konkurrierende Ansätze möglich: Dezentrales Steuerungssystem (DCS) und speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).

Darüber hinaus ist ein zunehmender Trend zu verzeichnenIntelligente Instrumente als Schlüsselkomponente in all diesen Systemen. Natürlich wird der Designer in der realen Welt die vier Ansätze miteinander kombinieren, um ein effektives System zu erzeugen, das zu seiner Anwendung passt.

SCADA-System

Abbildung 2 - SCADA-System

Überlegungen zum SCADA-System

Typische Überlegungen beim Zusammensetzen eines SCADA-Systems sind:

  • Allgemeine Kontrollanforderungen
  • Sequenzlogik
  • Analoge Schleifensteuerung
  • Verhältnis und Anzahl der analogen zu den digitalen Punkten
  • Geschwindigkeit der Kontrolle und Datenerfassung
  • Master / Bedienplätze
  • Art der Anzeige erforderlich
  • Historische Archivierungsanforderungen
  • Systembetrachtung
  • Zuverlässigkeit / Verfügbarkeit
  • Geschwindigkeit der Kommunikations- / Aktualisierungszeit / Systemabtastraten
  • Systemredundanz
  • Erweiterungsfähigkeit
  • Anwendungssoftware und Modellierung

Vorteile eines SCADA-Systems

Natürlich müssen die Anfangskosten eines SCADA-Systems gerechtfertigt sein. Einige typische Gründe für die Implementierung eines SCADA-Systems sind:

  1. Verbesserter Betrieb der Anlage oder des Prozesses mit Einsparungen durch Optimierung des Systems
  2. Steigerung der Produktivität des Personals
  3. Verbesserte Sicherheit des Systems durch bessere Informationen und verbesserte Kontrolle
  4. Schutz der Anlagenausrüstung
  5. Schutz der Umgebung vor einem Systemausfall
  6. Verbesserte Energieeinsparung durch Optimierung der Anlage
  7. Verbesserter und schnellerer Datenempfang, damit Kunden schneller und genauer in Rechnung gestellt werden können
  8. Regierungsvorschriften für Sicherheit und Gasmessung (für Lizenzgebühren, Steuern usw.)

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2. Verteilte Steuerung (DCS)

Definition - In einem PLS die Datenerfassung und -steuerungFunktionen werden von mehreren verteilten, auf Mikroprozessoren basierenden Einheiten ausgeführt, die sich in der Nähe der zu steuernden Geräte oder des Instruments befinden, von dem Daten erfasst werden.

DCS-Systeme haben sich zur Bereitstellung von Systemen entwickelt sehr ausgefeilte analoge (z. B. Schleife) Steuerungsfähigkeit. Ein eng integrierter Satz von Bedienerschnittstellen (oder Mensch-Maschine-Schnittstellen) sorgt für einfache Systemkonfigurationen und Bedienersteuerung.

Die Datenautobahn ist normalerweise für ziemlich hohe Geschwindigkeiten (normalerweise 1 Mbps bis 10 Mbps) geeignet.

Distributed Control System (DCS)

Abbildung 3 - Distributed Control System (DCS)


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3. Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Seit den späten 70er Jahren haben SPSen festverdrahtete Relais durch eine Kombination aus Ladder-Logic-Software und elektronischen Eingangs- und Ausgangsmodulen ersetzt.

Sie werden häufig bei der Implementierung einer SCADA-RTU verwendet denn sie bieten eine Standardhardwarelösung, die sehr preisgünstig ist.

Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Abbildung 4 - Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

Wie werden Feldgeräte an SPS (VIDEO) angeschlossen?

Teil I


Teil II

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4. Remote-Terminaleinheiten

Eine RTU (manchmal als a bezeichnet Ferntelemetrieeinheit) wie der Titel andeutet, ist a Standalone-Datenerfassungs- und SteuereinheitIn der Regel auf Mikroprozessoren basierend, überwacht und steuert er Geräte an einem entfernten Ort von der Zentralstation.

Ihre Hauptaufgabe ist zur Steuerung und Erfassung von Daten von Prozessgeräten am entfernten Standort und zum Zurückgeben dieser Daten an eine zentrale Station.

Es hat im Allgemeinen auch die Möglichkeit, sein zu habenKonfigurations- und Steuerungsprogramme, die dynamisch von einer Zentralstation heruntergeladen werden. Eine RTU-Programmiereinheit kann auch lokal konfiguriert werden.

Die RTU kommuniziert zwar traditionell zu einer zentralen Station, dEs ist auch möglich, auf Peer-to-Peer-Basis mit anderen RTUs zu kommunizieren. Die RTU kann auch als Relaisstation (manchmal als Speicher- und Weiterleitungsstation bezeichnet) zu einer anderen RTU, die möglicherweise nicht von der Zentralstation aus erreichbar ist.

Kleine RTUs haben im Allgemeinen weniger als 10 to20 analoge und digitale Signale, mittlere RTUs haben 100 digitale und 30 bis 40 analoge Eingänge. RTUs mit einer größeren Kapazität können als groß klassifiziert werden.

Eine typische RTU-Konfiguration ist in Abbildung 5 dargestellt:

Typische RTU-Hardwarestruktur

Abbildung 5 - Typische Struktur der RTU-Hardware

Typische RTU-Hardwaremodule umfassen:

  • Steuerprozessor und zugehöriger Speicher
  • Analoge Eingänge
  • Analoge Ausgänge
  • Zählereingänge
  • Digitale Eingänge
  • Digitalausgänge
  • Kommunikationsschnittstelle (n)
  • Netzteil
  • RTU-Rack und Gehäuse

Typische Anforderungen an ein RTU-System:

Beim Verfassen einer Spezifikation sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:


Hardware:

Individuelle RTU-Erweiterbarkeit (normalerweise bis zu 200 analoge und digitale Punkte)

  • Aus den Regalmodulen
  • Die maximale Anzahl von RTU-Standorten in einem System darf auf 255 erweitert werden
  • Modulares System - keine besondere Reihenfolge oder Position bei der Installation (von Modulen in einem Rack)
  • Robuster Betrieb - ein Ausfall eines Moduls hat keinen Einfluss auf die Leistung anderer Module
  • Minimierung des Stromverbrauchs (CMOS kann von Vorteil sein)
  • Wärmeentwicklung minimiert
  • Robust und robust gebaut
  • Maximierung der Störfestigkeit (durch raue Umgebung)
  • Temperatur von –10 bis 65 ° C (Betriebsbedingungen)
  • Relative Luftfeuchtigkeit bis zu 90%
  • Deutliche Anzeige der Diagnose
  • Sichtbare Status-LEDs
  • Lokale Fehlerdiagnose möglich
  • Möglichkeit zur Fernfehlerdiagnose
  • Status jedes E / A-Moduls und jedes Kanals (Programm läuft / fehlgeschlagen / Kommunikation OK / fehlgeschlagen)
  • Module sind alle an einen gemeinsamen Bus angeschlossen
  • Die physische Verbindung der Module mit dem Bus muss robust sein und sich für den Einsatz in rauen Umgebungen eignen
  • Einfache Installation der Feldverdrahtung
  • Einfacher Modulwechsel
  • Abnehmbare Schraubklemmen zum Trennen und Wiederverbinden der Verdrahtung

Umwelterwägungen

Die RTU wird normalerweise an einem entfernten Ort mit ziemlich rauen Umgebungsbedingungen installiert.

Normalerweise wird es für die folgenden Bedingungen angegeben:

  • Umgebungstemperaturbereich von 0 bis + 60 ° C (aber Spezifikationen von –30 ° C bis 60 ° C sind nicht ungewöhnlich)
  • Lagertemperaturbereich von –20 ° C bis + 70 ° C
  • Relative Luftfeuchtigkeit von 0 bis 95% nicht kondensierend
  • Die Fähigkeit der Überspannungsfestigkeit, typischerweise Spannungsschwankungen standzuhalten 2,5 kV, 1 MHz für 2 Sekunden mit einer Quellenimpedanz von 150 Ohm
  • Statischer Entladungsversuch, bei dem Funken von 1,5 cm in einem Abstand von 5 mm abgegeben werden 30 cm von der Einheit
  • Weitere Anforderungen sind Staub-, Vibrations-, Regen-, Salz- und Nebelschutz.

Software (und Firmware)
  • Kompatibilitätsprüfungen der Softwarekonfiguration der Hardware mit der tatsächlich verfügbaren Hardware
  • Protokollierung aller Fehler, die im System sowohl von externen Ereignissen als auch von internen Fehlern auftreten
  • Fernzugriff auf alle Fehlerprotokolle und Statusregister
  • Die Software funktioniert trotz Herunterfahren oder Hochfahren des Systems aufgrund eines Stromausfalls oder anderer Fehler ständig
  • Hardware-Filterung für alle analogen Eingangskanäle
  • Das Anwendungsprogramm befindet sich in einem nichtflüchtigen RAM
  • Konfigurations- und Diagnosetools für:
    • Systemkonfiguration
    • Hardware- und Softwareeinrichtung
    • Entwicklung / Verwaltung / Betrieb von Anwendungscodes
    • Fehlerprotokolle
    • Fern- und lokaler Betrieb

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5. Intelligentes Instrument

Ein anderes Gerät, das der Vollständigkeit halber erwähnt werden sollte, ist das intelligentes Instrument, an das sowohl SPS als auch DCS-Systeme angeschlossen werden können.

Obwohl dieser Begriff manchmal missbräuchlich verwendet wird, bedeutet er normalerweise einen intelligenten (auf Mikroprozessor basierenden) digitalen Messsensor (z. B. Durchflussmesser) mit digitalen Daten
Kommunikation für ein Diagnose-Panel oder ein computergestütztes System.

Typisches Beispiel für ein intelligentes Instrument

Abbildung 6 - Typisches Beispiel eines intelligenten Instruments


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Referenz // Praktisches SCADA für die Industrie von David Bailey, Edwin Wright

Bemerkungen: