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5 Zutaten, die den SCADA-Betrieb köstlich machen

SCADA, RTUs, SPS, Server…

Um es in sehr einfachen Worten zu erklären, würde ich das sagenSCADA ist eine Reihe von Geräten, die einem Bediener an einem entfernten Standort ausreichend Informationen zur Verfügung stellen, um den Status eines bestimmten Geräts / Prozesses zu ermitteln und Aktionen auszuführen, ohne physisch anwesend zu sein.

Fünf wichtige SCADA-Komponenten, die Sie kennen müssen

Fünf wichtige SCADA-Komponenten, die Sie kennen müssen

Die SCADA-Implementierung umfasst daher zwei Hauptaktivitäten: Datenerfassung (Überwachung) eines Prozesses oder einer Ausrüstung und der Aufsichtskontrolle des Prozesses und führt so zu einer vollständigen Automatisierung.

Die vollständige Automatisierung eines Prozesses kann durch die Automatisierung der Überwachung und der Steuerungsaktionen erreicht werden.

Die Automatisierung des Überwachungsteils führt zu einer Bedienperson in einem Kontrollraum. den Remote-Prozess auf der Bedienerkonsole "sehen" können, mit allen erforderlichen Informationen in den entsprechenden Zeitabständen angezeigt und aktualisiert.

Die in 1 gezeigte Architektur zeigt ein typisches SCADA-System hinsichtlich der Komponenten oder Elemente, die über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sind.

Typische SCADA-Systemarchitektur

Abbildung 1 - Typische SCADA-Systemarchitektur

Im Anschluss an die Abbildung werden detailliertere Erläuterungen zu den einzelnen Hauptkomponenten gegeben.

Diese fünf Hauptbestandteile eines SCADA-Systems werden im Folgenden ausführlicher beschrieben:

  1. Feldgeräte und Signale
  2. Programmierbare Prozesssteuerungen (RTUs, SPS)
  3. SCADA Operations-Benutzerarbeitsstation
  4. SCADA Server-Computer
  5. Kommunikationsnetzwerk

1. Feldgeräte und Signale

Die Symbole in der Abbildung mit der Beschriftung ‘Gerät’Repräsentieren einzelne Signale. Diese können diskret oder analog sein, Eingaben in die SPS oder Ausgaben von der SPS. Beim Entwerfen der Software für ein SCADA-System müssen die verschiedenen Feldsignale und / oder -geräte hinsichtlich der zu überwachenden Informationen und der zu steuernden Ausrüstung betrachtet werden.

Feldgeräte können Signalgeber sein, wie Füllstand- oder Drucktransmitter. Dies können diskrete Signale sein, wie zgeöffneter oder geschlossener Zustand des Ventils oder Laufstatus des Motors. Einige Geräte können tatsächlich mehrere Signale liefern, wie z. B. eine Wasserqualitätseinheit, die sowohl den Rest von Chlor als auch den pH-Wert des Wassers liefert.

Beim Entwerfen von SCADA-Software ist der gesamte BereichSignale müssen für jeden Prozessbereich identifiziert werden. Wie oben gezeigt, sind die Feldgeräte mit den verschiedenen SPS / RTUs verbunden, die wiederum die Signale verarbeiten.

Alle Feldgeräte, die dargestellt werdenüber diskrete und analoge Signale werden an die verschiedenen Eingangs- und Ausgangsmodule der SPS / RTU angeschlossen. Es verarbeitet die Eingangssignale und steuert die Steuerung über die Ausgangssignale, basierend auf der Programmierung in der SPS / RTU selbst.

Diskrete Signale können sowohl Eingangs- als auch Ausgangstypen sein. Solche Signale sind zwei Zustände, dh das Signalkann sich immer nur in einem von zwei Zuständen befinden. Zu den diskreten Eingangssignalen können gehören: End- und Endschalter, Fotozellensensoren, Taster und Wahlschalter. Diskrete Ausgangssignale können Kontrollleuchten, Motorsteuerrelais, Magnetventile und Ventilsteuerungen umfassen.

Analoge Signale können sowohl Eingangs- als auch Ausgangstypen sein und solche Signale können einen Wertebereich zwischen zwei voreingestellten Grenzen haben, meistens Null und einem Maximalwert.

Analoge Eingangssignale können Pegel enthalten,Durchflussraten, Motordrehzahlen, Spannung und Strom von Leistungsmonitoren, Wasserqualitätssignalen sowie Temperaturen und Drücken. Analoge Ausgangssignale können Motorgeschwindigkeitssteuerungen für Antriebe mit variabler Geschwindigkeit (VSDs) an Motoren mit variabler Geschwindigkeit, Ventilstellungssignale für modulierende Ventile und analoge Anzeigegeräte umfassen.

Da Feldsignale, wie Pegel, Flüsse und Drücke, vom Programm zur Steuerung des Betriebs der Ausrüstung verwendet werden können, können Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist das Herzstück der Überwachung und Kontrolle jedes Prozessbereichs in einem SCADA-System.

Die SCADA-Software muss alle zu verarbeitenden Geräte und Signale berücksichtigen.

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2. Programmierbare Prozesssteuerungen (RTUs, SPS)

Eine gegebene Anwendung für ein SCADA-System ist in Prozessbereiche unterteilt. Jeder dieser Bereiche hat klar definierte Operationen, die ausgeführt werden müssen.

Beispielsweise kann eine Pumpstation zwei oder drei Pumpen verwenden. Betrieb in einem Lead / Lag / Standby-Modus. Das Automatisierungsprogramm in der Steuerung ist so konfiguriert, dass die Pumpen basierend auf vom Bediener eingegebenen Sollwerten und Betriebszuweisungen betrieben werden.

Jeder innerhalb eines SCADA-Systems identifizierte Prozessbereich erfordert einen eigenen programmierbaren Prozesscontroller.

Die SPS / RTU kann so programmiert werden um alle Signale innerhalb des Prozessbereichs zu überwachen und die Prozessausrüstung zu kontrollieren, basierend auf dem Design des Programms.

Der Software-Designer muss die verschiedenen Elemente zuordnenFeld E / A-Signale, die im vorherigen Thema identifiziert wurden, zu den erforderlichen Modulen in der SPS / RTU. Mit der Liste der Signale, gegliedert nach diskreten Eingängen, diskreten Ausgängen, analogen Eingängen und analogen Ausgängen, kann ein Zählwert der Anzahl der einzelnen Signalarten bestimmt werden.

SCADA-RTU-Panel

Abbildung 2 - SCADA RTU-Panel (Bildnachweis: oempanels.com)

Von dort aus können die benötigten Ein- / Ausgabemodule für die SPS ermittelt und konfiguriert werden. Abhängig von der Anzahl der Signale kann eine SPS aus mehreren Baugruppenträgern oder Baugruppen bestehen.

Aus Sicht des Anwendungsprogramms erkennt die Software jedoch alle Module, als ob sie alle in einem einzigen langen Rack untergebracht wären.

Jede der programmierbaren Steuerungen erfordert die Programmierung in einer oder mehreren Formen.

Beispielsweise wird die Feldsteuerung, die üblicherweise als SPS bezeichnet wird, typischerweise in einer aufgerufenen Sprache programmiert Ladder Logic, die der elektrischen Steuerschaltung ähnelt, die vor der SPS verwendet wurde. Heutzutage ermöglichen die meisten SPSen eine Vielzahl von Programmiersprachen, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Zu den Sprachen gehören beispielsweise: Funktionsblockdiagramm, Strukturtext (übergeordnete Programmierung), Ablaufdiagramm und Anweisungs- oder Anweisungsliste (LowLevel Assembly Programming).

Der Programmierer kann wählen, eine oder mehrere dieser Sprachen in einem bestimmten SPS-Anwendungsprogramm zu verwenden.

Prinzipieller elektrischer Aufbau eines SPS-Panels - Verdrahtungspläne

Abbildung 3 - Modernes industrielles SCADA-Automatisierungspanel (Kredit: plctrg.com)

Die RTU dient als Augen, Ohren und Hände eines SCADA-Systems. Die RTU erfasst alle Felddaten von verschiedenen Feldgeräten, da menschliche Augen und Ohren die Umgebung überwachen, die Daten verarbeiten und die relevanten Daten an die Hauptstation übertragen.

Gleichzeitig verteilt er die von der Hauptstation empfangenen Steuersignale an die Feldgeräte, während die menschliche Hand Anweisungen vom Gehirn ausführt.

Heute Intelligent Electronic Devices (IEDs) ersetzen RTUs.

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3. SCADA Operations User Workstation

Die Arbeitsstationen der Benutzer arbeiten normalerweiseHuman Machine Interface (HMI), erfordert die Programmierung von Prozessgrafikanzeigen mit animierten Links zu vielen Punkten in einer Prozessdatenbank.

Konfigurationsprogrammierung ist auch erforderlich, um die Prozessdatenbank, die historische Datenbank und die Kommunikationsschnittstelle zu den Feldsteuerungen oder den SPSen einzurichten.

Zusätzliche Hintergrundprogramme, so genannte Skripts, werden häufig verwendet, um Vorgänge hinter den Kulissen der Anwendung auszuführen.

Die SCADA-Workstations sind anwesend Die Prozessgrafik wird mit Bedienerinteraktion angezeigtwie das Steuern der Ausrüstung und das AnfordernInformation. Die Software auf dieser Ebene umfasst die Erstellung von Prozesssteuerungsanzeigen, Verlaufstrend- und Verlaufsberichtanzeigen, Alarm- und Ereignisübersichtsanzeigen sowie die Prozessdatenbank.

Daher gibt es sowohl Anzeigen, die die Informationen darstellen, als auch die Programmierung hinter den Kulissen, um auf die Informationen für die angeforderte Anzeige zuzugreifen.

Darüber hinaus gibt es häufig Hintergrundskripte oder -programme, die dazu verwendet werden, mit den Anzeigen verbundene Vorgänge auszuführen und / oder Befehle für die SPS, RTUs und andere Geräte aufzurufen.

SCADA Operations-Benutzerarbeitsstation

Abbildung 4 - SCADA Operations User Workstation


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4. SCADA Server-Computer

Die meisten SCADA-Systeme enthalten mindestens ein Datenserver-Computer. Diese Computer verwalten die gesamte Konfigurationssoftware für das SCADA-System.

Der Servercomputer befindet sich im physischen Zentrum vondie Sterntopologie. Im Laufe der Zeit erfasste historische Daten werden auf dem Servercomputer in Form von Datenbanken verwaltet. Aktuelle Systembetriebsdaten aller Feldsteuerungen werden auch in Datenbanken auf dem Servercomputer gespeichert.

Der Servercomputer führt aus die gesamte Kommunikation mit den SPSen und RTUs im SCADA-Netzwerk. Jede RTU / SPS verwaltet und sammelt Daten zu ihren Prozessbereichen. Diese Daten werden dann vom Servercomputer abgerufen, um den aktuellen Prozess und die Verlaufsdatenbanken zu aktualisieren.

Diese Kommunikation ist so konfiguriert, dass oder abgefragt wirdAnsonsten sammeln Sie Datenwerte von den SPS / RTUs. Befehle und Einstellungen von den Arbeitsstationen werden über den Servercomputer an die SPS und / oder RTUs gesendet.

In kleinen Systemen kann eine einzelne Workstation die Arbeit sowohl des Servers als auch der Arbeitsbenutzer-Workstation ausführen.

Wenn das System jedoch mehr als eine oder zwei hatprogrammierbare Prozesssteuerungen, dann werden die Serveroperationen am besten einer dedizierten Workstation zugewiesen, die bei Bedarf als zusätzliche Benutzerworkstation dienen kann.

Heutzutage verwenden viele SCADA-Anwendungen RelationalDatabase Management System (RDBMS) zum Speichern, Abrufen und Berichten von Informationen. So wie die CSV-Datei (Comma Separated Value) zu einer Standardmethode für die Datenübertragung zwischen Anwendungen geworden ist, kann auf das RDBMS mit standardisierten SQL-Befehlen von jeder SQL-kompatiblen Anwendung aus zugegriffen werden.

Ein weiterer Zweck des SCADA-Servercomputers besteht darin, eine Schnittstelle zu anderen Einrichtungen bereitzustellen, normalerweise über das Internet. Verwenden von Firewalls und SQL-Schnittstellenaufrufen.

Es ist wichtig, dass der externe Zugriff die internen Vorgänge des SCADA-Systems nicht beeinträchtigen kann, sodass der Servercomputer häufig eine sichere Schnittstelle bietet.

Andere Abteilungen und Benutzer benötigen möglicherweise DatenSie werden vom SCADA-System erfasst und können über den SCADA-Servercomputer mit den entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen auf diese Daten zugreifen.

SCADA-Server

Abbildung 5 - SCADA-Server


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5. Kommunikationsnetz

Die betriebsinterne Ausrüstung, programmierbare Prozesssteuerungen und SCADA-Benutzerarbeitsplätze sind typischerweise über eine Verbindung miteinander verbunden Lokales Netzwerk (LAN)über Ethernet oder ein anderes Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem.

Einige SCADA-Systeme können sich außerhalb des physischen Gebäudes auf entfernte Standorte erstrecken. Diese Sites erfordern auch eine Art Kommunikation mit der Host-Einrichtung.

Die zuvor gezeigte Darstellung der SCADA-Hierarchie umfasst Modems für einen entfernten Standort, sodass ferngesteuerte Controller über dasselbe Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetz betrieben werden können.

Sehen wir uns kurz die Arten von Netzwerktopologien an, die für SCADA-Systeme verwendet werden

Es gibt drei grundlegende Topologien wie unten beschrieben:

  1. Bus-Topologie
  2. Sterntopologie
  3. Token-Ring-Topologie

5.1 Bustopologie

Die in Abbildung 6 gezeigte Bustopologie besteht aus a Hardware- / Software-Verbindung zwischen allen Knoten im System.

Diese Architektur ähnelt einer Hauptstraße nachund von dem aus alle anderen Straßen verbinden. Um von einem beliebigen Ort zu einem anderen Ort zu reisen, müssen Sie zu dieser Hauptstraße (dem Netz) gelangen und dann weiterfahren, bis eine Ausfahrt zur gewünschten Route gefunden wird.

Der gesamte Verkehr oder die Kommunikation im System wird hierdurch ausgeführt einzelnes Busnetz.

Bus-Topologie

Abbildung 6 - Bustopologie

Für mehr Verkehr kann das Netzwerk werdenüberladen, und das Ergebnis ist eine Verlangsamung der Übertragung von Daten von einem Knoten zu einem anderen. Während Ethernet über ein Busnetzwerk im Allgemeinen schnell genug ist, kann es einige Anwendungen geben, in denen diese Bustopologie Straßensperren für effiziente Daten schafft.

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5.2 Sterntopologie

Die Sterntopologie, wie in Abbildung 3 dargestellt, besteht aus mehrere Netzwerkpfade von einem einzigen Master- oder Host-Knoten aus.

Dieser Master-Knoten würde normalerweise aus einer oder zwei Master-SCADA-Workstation bestehenals Meister des Systems. Die gesamte Datenerfassung von den verschiedenen RTU / SPS-Knoten erfolgt über Einzelverbindungen in einer Sternkonfiguration.

Aktualisierungszeiten für den Host-Knoten sind sehr schnell, erfordern jedoch mehrere Pfade vom Host-Master-Knoten.

Die Datenübertragung zwischen Knoten im Star-Netzwerk erfordert, dass die Informationen zuerst vom Quellknoten, dann über den Hostknoten und dann zum Zielknoten weitergeleitet werden.

Sterntopologie

Abbildung 7 - Sterntopologie


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5.3 Token-Ring-Topologie

Eine Token-Ring-Topologie, wie in Abbildung 8 dargestellt, funktioniert wie a Ring, in dem alle Knoten durch zwei Netzwerkverbindungen miteinander verbunden sind. Alle Knoten in der Topologie sind gleichwertig, und Daten werden über diesen Ring von einem Knoten zum nächsten weitergeleitet.

Doppelte Ringe in entgegengesetzten Richtungen sorgen dafür Redundanz und Sicherheit. Informationen von jedem Knoten durchlaufen den Ring und werden von Knoten zu Knoten weitergeleitet, bis die Daten den gewünschten Zielknoten erreichen.

Diese Topologie ist insofern vorausschauend, als die Geschwindigkeit istkonstant und die Zeit für die Datenübertragung ist immer mit einer festen Rate. Mit zunehmender Anzahl von Knoten im Netzwerk sinkt die Gesamtdatenübertragungsrate, da es mehr Knoten gibt, durch die Daten passieren müssen, um vom Quellknoten zum Zielknoten zu gelangen.

Eine mögliche Verbesserung ist die Verwendung einer Kombination von Topologien im SCADA-Netzwerk.

Token-Ring-Topologie

Abbildung 8 - Token-Ringtopologie

Fernkommunikation wird traditionell verwendet Einwahl- und dann dedizierte Modems Daten zwischen der Remote-RTU / SPS und einer hauseigenen RTU / SPS übertragen.

Immer mehr Einrichtungen nutzen DigitalTeilnehmeranschlüsse (DSL) und Glasfaseranschlüsse. Die beiden letztgenannten Verfahren ermöglichen eine wesentlich schnellere Datenübertragung und sind wesentlich zuverlässiger. Welche Kommunikationsmethode verwendet wird, hängt von der zu übertragenden Datenmenge, der Wichtigkeit der Daten und der Häufigkeit ab, mit der die Daten übertragen werden müssen.

Innerhalb der SCADA-Software erfolgt die KommunikationAspekt umfasst die Programmierung und Konfiguration verschiedener Softwaretreiber, damit die SCADA-Workstations mit den programmierbaren Prozesssteuerungen (RTUs, SPS) kommunizieren können, um Daten hin und her zu übertragen.

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Was ist RTU?

RTU steht für Remote Terminal Unit, manchmal auch als Remote Terminal Unit bezeichnet Remote-Telemetrieeinheit oder Remote-Fernwirkeinheit. Eine RTU ist ein auf Mikroprozessoren basierendes Gerät, das Feldgeräte überwacht und steuert und dann mit Anlagensteuerungs- oder SCADA-Systemen (Überwachungssteuerungs- und Datenerfassungssystem) verbunden wird.

Wenn Sie nach der Definition einer RTU suchen, finden Sie möglicherweise viele Ergebnisse, die besagen, dass eine RTU wesentlich leistungsfähiger ist als eine SPS, da die RTU mehrere Ein- und Ausgänge haben kann.

Nun, wie Sie wissen, auch die SPS. Die RTU hat einige potenzielle Vorteile gegenüber der SPS, die wir diskutieren werden.

Was den Preis angeht, ist der Gewinner momentan die SPS. SPS haben einen niedrigeren Preis Aber viele betrachten die RTU als ein viel robusteres System, das Sie zu der Annahme führen würde, dass die Ausgaben für den Anfang mehr als gleich sind.

Was die Prozesssteuerung angeht, ist die RTU wahrscheinlich eingeschaltetebenerdig mit der SPS. Beide Steuerungen können mehrere unterschiedliche E / A-Typen, unterschiedliche Kommunikationsmodule und die Programmierung von Prozessen aufweisen, für die möglicherweise wenig oder kein Bedienereingriff erforderlich ist.

Wo ist die RTU zu haben Einige Vorteile liegen in Umgebungstoleranzen, Optionen für die Backup-Stromversorgung und Autonomie.

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Quellen //

  1. Entwerfen von SCADA-Anwendungssoftware Ein praktischer Ansatz von Stuart G. McCrady (bei Amazon kaufen)
  2. Power System SCADA und Smart Grids von Mini S. Thomas (Jamia Millia Islamia an der Universität New Delhi, Indien) und John D. McDonald (GE Energy Management - Digitale Energie, Atlanta, Georgia, USA)
Bemerkungen: