Was ist ein SCADA-System? Architektur und ihre Funktionsweise

In großen Industriebetrieben finden zahlreiche Prozesse statt. Jeder Prozess, den Sie überwachen müssen, ist sehr komplex, da jede Maschine unterschiedliche Ergebnisse liefert. Das SCADA-System dient zum Sammeln von Daten von Sensoren und Instrumenten in abgelegenen Gebieten. Der Computer verarbeitet diese Daten dann und präsentiert sie umgehend. Das SCADA-System sammelt die Informationen (wie ein Leck in einer Pipeline aufgetreten ist) und überträgt die Informationen zurück an das System, während es die Warnungen ausgibt, dass ein Leck aufgetreten ist, und zeigt die Informationen auf logische und organisierte Weise an. Das SCADA-System, das unter DOS- und UNIX-Betriebssystemen ausgeführt wurde. Dieser gesamte Prozess ist bekannt als Automatisierung . Dieser Artikel beschreibt einen Überblick über das SCADA-System.

Was ist ein SCADA-System?

SCADA steht für Aufsichtskontrolle und Datenerfassung. Es ist eine Art Softwareanwendungsprogramm zur Prozesssteuerung. SCADA ist ein zentrales Steuerungssystem, bestehend aus Steuerungen Netzwerkschnittstellen, Ein- / Ausgabe, Kommunikationsausrüstung und Software. SCADA-Systeme werden verwendet, um die Ausrüstung im industriellen Prozess zu überwachen und zu steuern, der Herstellung, Produktion, Entwicklung und Herstellung umfasst. Die infrastrukturellen Prozesse umfassen die Gas- und Ölverteilung, die Stromversorgung und die Wasserverteilung. Zu den öffentlichen Versorgungsunternehmen gehören ein Busverkehrssystem und ein Flughafen. Das SCADA-System misst die Zähler und überprüft in regelmäßigen Abständen den Status der Sensoren, sodass nur minimale Störungen durch Menschen erforderlich sind.

Allgemeines SCADA-Netzwerk

Geschichte von SCADA

Früher kann die Steuerung von Industrieanlagen und Produktionsstätten manuell mit Hilfe von analogen Geräten und Drucktasten erfolgen. Da die Größe der Branche wächst, setzten sie Zeitgeber und Relais ein, um die Überwachung auf ein festes Niveau für minimale Automatisierung zu bringen. Daher war für alle Branchen eine Vollautomatisierung mit einem effizienteren System erforderlich.

Wir wissen, dass für industrielle Steuerungszwecke Computer im Jahr 1950 implementiert wurden. Danach wurde das Konzept der Telemetrie sowohl für die Datenübertragung als auch für die virtuelle Implementierung implementiert Kommunikation . Im Jahr 1970 wurde das SCADA-System zusammen mit den Mikroprozessoren sowie der SPS entwickelt.

Daher wurden diese Konzepte bei der Entwicklung einer Automatisierung, die in Branchen aus der Ferne betrieben wird, voll unterstützt. Die verteilten SCADA-Systeme wurden im Jahr 2000 implementiert. Danach wurden neue SCADA-Systeme entwickelt, um Echtzeitdaten überall auf der Welt zu überwachen und zu steuern.

SCADA-Systemarchitektur

Im Allgemeinen ist das SCADA-System ein zentrales System, das den gesamten Bereich überwacht und steuert. Es ist ein reines Softwarepaket, das auf der Hardware positioniert ist. Ein Überwachungssystem sammelt Daten über den Prozess und sendet die Befehlssteuerung an den Prozess. Der SCADA ist eine Remote-Terminal-Einheit, die auch als RTU bezeichnet wird.

Die meisten Steueraktionen werden automatisch von RTUs oder SPS ausgeführt. Die RTUs bestehen aus dem speicherprogrammierbaren Wandler, der auf bestimmte Anforderungen eingestellt werden kann. Beispielsweise kann im Wärmekraftwerk der Wasserdurchfluss auf einen bestimmten Wert eingestellt oder je nach Anforderung geändert werden.

Das SCADA-System ermöglicht es dem Bediener, den Sollwert für den Durchfluss zu ändern und Alarmbedingungen bei Durchflussverlust und hoher Temperatur zu aktivieren. Der Zustand wird angezeigt und aufgezeichnet. Das SCADA-System überwacht die Gesamtleistung der Schleife. Das SCADA-System ist ein zentrales System zur Kommunikation mit drahtgebundener und drahtloser Technologie mit Clint-Geräten. Die SCADA-Systemsteuerungen können alle Arten des industriellen Prozesses ausführen.

Wenn sich beispielsweise in einer Gasleitung zu viel Druck aufbaut, kann das SCADA-System automatisch ein Ablassventil öffnen.

Hardware-Architektur

Das allgemeine SCADA-System kann in zwei Teile unterteilt werden:

• Client-Schicht
• Datenserverschicht

Die Clint-Schicht ist auf die Mensch-Maschine-Interaktion ausgerichtet.

Die Datenserverschicht übernimmt den größten Teil des Prozesses der Datenaktivitäten.

Die SCADA-Station bezieht sich auf die Server und besteht aus einem einzelnen PC. Die Datenserver kommunizieren über Gerätecontroller wie SPS oder RTU mit Geräten vor Ort. Die SPS sind entweder direkt oder über Netzwerke oder Busse mit den Datenservern verbunden. Das SCADA-System verwendet ein WAN und LAN-Netzwerke, das WAN und das LAN bestehen aus Internetprotokollen, die für die Kommunikation zwischen der Hauptstation und den Geräten verwendet werden.

Die physischen Geräte wie Sensoren, die an die SPS oder RTUs angeschlossen sind. Die RTUs wandeln die Sensorsignale in digitale Daten um und senden digitale Daten an den Master. Entsprechend der von der RTU empfangenen Master-Rückmeldung wird das elektrische Signal an die Relais angelegt. Die meisten Überwachungs- und Steuerungsvorgänge werden von RTUs oder SPS ausgeführt, wie in der Abbildung dargestellt.

SCADA-Systemhardwarearchitektur

Softwarearchitektur

Die meisten Server werden für Multitasking- und Echtzeitdatenbanken verwendet. Die Server sind für die Datenerfassung und -verarbeitung verantwortlich. Das SCADA-System besteht aus einem Softwareprogramm, das Trend- und Diagnosedaten bereitstellt und Informationen wie geplante Wartungsverfahren, logistische Informationen, detaillierte Schaltpläne für einen bestimmten Sensor oder eine bestimmte Maschine sowie Anleitungen zur Fehlerbehebung für Expertensysteme bereitstellt. Dies bedeutet, dass der Bediener eine schematische Darstellung der zu steuernden Anlage sehen kann.

Softwarearchitektur von SCADA

Beispiele sind Alarmprüfungen, Berechnungen, Protokollierung und Archivierung von Polling-Controllern für eine Reihe von Parametern, die normalerweise mit dem Server verbunden sind.

SCADA-System funktioniert

Das SCADA-System führt die folgenden Funktionen aus

• Datenerfassung
• Datenkommunikation
• Informations- / Datenpräsentation
• Überwachung / Kontrolle

Diese Funktionen werden von Sensoren, RTUs, Controllern und einem Kommunikationsnetzwerk ausgeführt. Die Sensoren werden verwendet, um wichtige Informationen zu sammeln, und RTUs werden verwendet, um diese Informationen an die Steuerung zu senden und den Status des Systems anzuzeigen. Je nach Status des Systems kann der Benutzer den Befehl an andere Systemkomponenten weitergeben. Dieser Vorgang wird vom Kommunikationsnetz ausgeführt.

Datenerfassung

Das Echtzeitsystem besteht aus Tausenden von Komponenten und Sensoren. Es ist sehr wichtig, den Status bestimmter Komponenten und Sensoren zu kennen. Beispielsweise messen einige Sensoren den Wasserfluss vom Vorratsbehälter zum Wassertank und einige Sensoren messen den Wertdruck, wenn das Wasser aus dem Vorratsbehälter abgelassen wird.

Datenkommunikation

Das SCADA-System verwendet ein kabelgebundenes Netzwerk, um zwischen Benutzern und Geräten zu kommunizieren. Echtzeitanwendungen verwenden viele Sensoren und Komponenten, die ferngesteuert werden sollten. Das SCADA-System verwendet Internetkommunikation. Alle Informationen werden über das Internet unter Verwendung spezifischer Protokolle übertragen. Sensoren und Relais können nicht mit den Netzwerkprotokollen kommunizieren, daher werden RTUs zur Kommunikation von Sensoren und Netzwerkschnittstellen verwendet.

Informations- / Datenpräsentation

Die normalen Schaltungsnetzwerke haben einige Anzeigen, die zur Steuerung sichtbar sein können, aber im Echtzeit-SCADA-System gibt es Tausende von Sensoren und Alarmen, die nicht gleichzeitig behandelt werden können. Das SCADA-System verwendet die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) Bereitstellung aller von den verschiedenen Sensoren gesammelten Informationen .

Überwachung / Kontrolle

Das SCADA-System verwendet verschiedene Schalter, um jedes Gerät zu bedienen, und zeigt den Status des Kontrollbereichs an. Mit diesen Schaltern kann jeder Teil des Prozesses von der Kontrollstation aus ein- und ausgeschaltet werden. Das SCADA-System ist so implementiert, dass es automatisch ohne menschliches Eingreifen funktioniert. In kritischen Situationen wird es jedoch von Arbeitskräften verwaltet.

SCADA-Komponenten

Die SCADA-Systemkomponenten umfassen Folgendes.

Überwachungssystem

Das Überwachungssystem funktioniert wie ein Kommunikationsserver zwischen der Mensch-Maschine-Schnittstellensoftware im Kontrollraum von Arbeitsstationen sowie deren Geräten wie RTUs, Sensoren, SPS usw. Kleinere SCADA-Systeme enthalten lediglich einen einzelnen Personal Computer, der wie ein Master dient System ansonsten überwacht, während große SCADA-Systeme zahlreiche Server, Standorte für die Wiederherstellung von Tragödien sowie verteilte Softwareanwendungen umfassen. Die Server sind wie eine Hot-Standby-Formation verbunden, ansonsten doppelt redundant, um den Serverausfall kontinuierlich zu überwachen.

RTUs (Remote Terminal Units)

Die RTU oder Remote Terminal Unit ist ein elektronisches Gerät und wird auch als Remote Telemetry Units bezeichnet. Dieses System umfasst physische Objekte, die über RTUs verbunden sind.

Die Steuerung dieser Geräte kann über Mikroprozessoren erfolgen. Hier werden Mikroprozessoren zur Steuerung von RTUs verwendet, die zur Übertragung der aufgezeichneten Daten an das Überwachungssystem verwendet werden. Die Daten können vom Master-System zur Steuerung der verbundenen Objekte empfangen werden.

SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen)

Der Begriff SPS steht für speicherprogrammierbare Steuerungen, die in SCADA-Systemen mit Hilfe von Sensoren eingesetzt werden. Diese Steuerungen sind mit den Sensoren verbunden, um das Ausgangssignal des Sensors in digitale Daten umzuwandeln. Im Vergleich zu RTUs werden diese aufgrund ihrer Flexibilität, Konfiguration, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit verwendet.

Kommunikationsinfrastruktur

Im SCADA-System wird eine Mischung aus Radio und direkter Kabelverbindung verwendet. SONET oder SDH können aber auch für überlegene Systeme wie Kraftwerke und Eisenbahnen eingesetzt werden. Zwischen den kompakten SCADA-Protokollen werden nur wenige standardisierte 7 erkannte Protokolle verwendet, um Informationen zu liefern, sobald die RTUs über die Überwachungsstation abgefragt werden.

SCADA-Programmierung

In der HMI-Masterstation wird die SCADA-Programmierung hauptsächlich zum Erstellen von Karten und Diagrammen verwendet, um während des gesamten Verlaufs sehr wichtige Informationen bereitzustellen, andernfalls, wenn ein Ereignisfehler auftritt. Die meisten kommerziellen SCADA-Systeme verwenden konsistente Schnittstellen in der Programmiersprache C, andernfalls kann auch eine abgeleitete Programmiersprache verwendet werden.

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Das SCADA-System verwendet die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Die Informationen werden angezeigt und überwacht, um von einem Menschen verarbeitet zu werden. HMI bietet Zugriff auf mehrere Steuereinheiten, bei denen es sich um SPS und RTU handeln kann. Das HMI bietet die grafische Darstellung des Systems.

Beispielsweise wird ein grafisches Bild der an den Tank angeschlossenen Pumpe angezeigt. Der Benutzer kann den Wasserfluss und den Wasserdruck sehen. Der wichtige Teil des HMI ist ein Alarmsystem, das gemäß den vordefinierten Werten aktiviert wird.

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Zum Beispiel , Der Tankwasserstandsalarm ist auf 60% und 70% eingestellt. Wenn der Wasserstand über 60% liegt, gibt der Alarm eine normale Warnung aus, und wenn der Wasserstand über 70% erreicht, gibt der Alarm eine kritische Warnung aus.

Arten von SCADA-Systemen

SCADA-Systeme werden in vier Typen eingeteilt, darunter die folgenden.

• Monolithische SCADA-Systeme
• Verteilte SCADA-Systeme
• Vernetzte SCADA-Systeme
• IoT SCADA-Systeme

Monolithische SCADA-Systeme

Monolithische SCADA-Systeme werden als Systeme der frühen oder ersten Generation bezeichnet. In diesen Systemtypen werden Minicomputer verwendet. Die Entwicklung dieser Systeme kann erfolgen, wenn keine gemeinsamen Netzwerkdienste verfügbar sind. Der Entwurf dieser Systeme kann wie unabhängige Systeme ohne Beziehung zu anderen Systemen erfolgen.

Die Daten können von allen RTUs mithilfe eines Backup-Mainframes erfasst werden. Die Hauptfunktionen dieser Systeme der ersten Generation beschränken sich darauf, Prozesse in Krisenfällen zu kennzeichnen und die Sensoren zu überwachen.

Verteilte SCADA-Systeme

Verteilte SCADA-Systeme werden als Systeme der zweiten Generation bezeichnet. Die Verteilung der Steuerfunktionen auf mehrere Systeme kann durch Verbindung mit einem lokalen Netzwerk erfolgen. Die Steuerungsvorgänge können durch gemeinsame Nutzung von Echtzeitdaten und Befehlsverarbeitung ausgeführt werden.

Bei diesen Systemtypen werden Größe und Kosten jeder Station reduziert, es gab jedoch keine konsistenten Netzwerkprotokolle. Da die Protokolle proprietär waren, verstehen weniger Menschen die Sicherheit des SCADA-Systems während der Installation und dieser Faktor wurde weitgehend ignoriert.

Vernetzte SCADA-Systeme

Die vernetzten SCADA-Systeme werden auch als Systeme der dritten Generation bezeichnet. Die Vernetzung und Kommunikation der gegenwärtigen SCADA-Systeme kann unter Verwendung des WAN-Systems über Datenleitungen oder Telefone erfolgen. Die Datenübertragung zwischen zwei Knoten kann mit Hilfe von Ethernet- oder Glasfaserverbindungen erfolgen.

Diese Art von SCADA-System verwendet SPS Anpassen und Überwachen der Kennzeichnungsvorgänge, sobald die Hauptauswahl erforderlich ist.

IoT SCADA-Systeme

IoT SCADA-Systeme sind Systeme der vierten Generation. In diesen Systemen werden die Infrastrukturkosten des Systems durch die Implementierung von IoT durch reduziert Cloud Computing . Die Wartung und Integration dieser Systeme ist im Vergleich zu anderen einfach.

In Echtzeit kann der Zustand dieser Systeme durch Cloud Computing gemeldet werden. Daher kann die Implementierung von Algorithmen wie der komplizierten Steuerung durchgeführt werden, die häufig in üblichen SPSen verwendet werden.

SCADA-Sicherheit

Gegenwärtig werden SCADA-Netzwerke in der aktuellen Industrie häufig verwendet, um Echtzeitdaten zu überprüfen und zu untersuchen. Industrielle Prozesse können gesteuert werden und mit Geräten kommunizieren. SCADA-Systeme sind daher für Industrieunternehmen unverzichtbar, da diese Systeme Hardware und Software enthalten. Daher ist die SCADA-Sicherheit auch in der Industrie von entscheidender Bedeutung.

Der Begriff SCADA-Sicherheit wird verwendet, um die mit Computerhardware hergestellten SCADA-Netzwerke zu schützen. SCADA-Netzwerke, die von einigen Systemen verwendet werden, sind Elektrizität , Erdgas usw. Die privaten und staatlichen Organisationen haben die Maßnahmen dieser Netze aufgrund der wertvollen Rolle ergriffen, um die Sicherheit der SCADA-Systeme zu gewährleisten.

Beispiele für SCADA-Sicherheit

Zu den Bedrohungen, die in SCADA-Systemen auftreten, gehören die folgenden.

• Hacker
• Terroristen
• Malware
• Fehler im Inneren

Die Schwäche der SCADA-Sicherheit tritt hauptsächlich aus den folgenden Gründen auf.

• Schlechtes Training
• Lücken Entwicklung der App
• Probleme bei der Überwachung
• Weniger Wartung

Das SCADA-System kann geschützt werden, indem alle vorhandenen Systeme zugeordnet, das Institut überwacht und erkannt und Prozesse für die Sicherheit des Netzwerks erstellt werden.

Unterschied zwischen SPS und SCADA

Der Unterschied zwischen SPS und SCADA umfasst Folgendes.

SCDA für Remote Industrial Plant

In großen Industriebetrieben laufen viele Prozesse gleichzeitig ab und jeder muss überwacht werden, was eine komplexe Aufgabe ist. Die SCADA-Systeme werden zur Überwachung und Steuerung der Geräte in industriellen Prozessen verwendet, einschließlich Wasserverteilung, Ölverteilung und Stromverteilung. Das Hauptziel dieses Projekts ist die Verarbeitung der Echtzeitdaten und die Steuerung der industriellen Umgebung in großem Maßstab. Im Echtzeitszenario wird ein Temperaturprotokollierungssystem für einen Remote-Anlagenbetrieb verwendet.

Blockschaltbild der Industrieanlage zur Temperaturregelung

Die Temperatursensoren sind mit dem Mikrocontroller verbunden, der am Frontend mit dem PC verbunden ist, und die Software wird auf den Computer geladen. Die Daten werden von den Temperatursensoren gesammelt. Die Temperatursensoren senden kontinuierlich das Signal an den Mikrocontroller, der diese Werte entsprechend auf der Vorderseite anzeigt.

Man kann die Parameter wie Untergrenze und Obergrenze auf dem Computerbildschirm einstellen. Wenn die Temperatur eines Sensors den Sollwert überschreitet, sendet der Mikrocontroller einen Befehl an das entsprechende Relais. Die über Relaiskontakte angeschlossenen Heizungen werden aus- und eingeschaltet.

Dies ist ein Temperaturerfassungssystem. Hier werden 8 Temperatursensoren im Multiplexmodus über den ADC 0808 mit dem Mikrocontroller verbunden. Anschließend werden die Werte aller Sensoren vom Mikrocontroller über Max 32 seriell an den Com-Port des PCs gesendet. Ein auf den PC geladenes Software- „DAQ-System“ nimmt diese Werte auf, zeigt sie auf der Vorderseite an und protokolliert sie auch in der Datenbank „daq.mdb“.

Auf interaktive Weise können einige Parameter wie ein Sollwert, eine Untergrenze und eine Obergrenze auf dem Computerbildschirm eingestellt werden. Wenn die Temperatur eines Sensors über den Sollwert hinaus steigt, sendet der Mikrocontroller Befehle an den Relaistreiber-IC. Die über Relaiskontakte angeschlossenen Heizungen sind (für diesen Sensor spezifisch) ausgeschaltet (oder im umgekehrten Fall eingeschaltet). Obergrenze und Untergrenze sind für Alarm. Wenn die Temperatur die Obergrenze oder die Untergrenze überschreitet, wird der Alarm eingeschaltet.

SCADA für Remote Industrial Plant

Vorteile

Zu den Vorteilen des SCADA-Systems gehören die folgenden.

• Die Servicequalität kann verbessert werden
• Die Zuverlässigkeit kann verbessert werden
• Die Wartungskosten sind geringer
• Der Betrieb kann reduziert werden
• Große Systemparameter können überwacht werden
• Arbeitskräfte können reduziert werden
• Reparaturzeit kann reduziert werden
• Fehlererkennung und Fehlerlokalisierung
• Es speichert eine große Datenmenge
• Gemäß den Benutzeranforderungen werden die Daten in verschiedenen Formaten angezeigt.
• Tausende von Sensoren können zur Steuerung und Überwachung mit SCADA verbunden werden
• Reale Datensimulationen können von Bedienern erhalten werden
• Gibt schnelle Antwort
• Es ist flexibel und skalierbar, während zusätzliche Ressourcen hinzugefügt werden.
• Das SCADA-System bietet mechanische und grafische Informationen an Bord
• Das SCADA-System ist leicht erweiterbar. Je nach Anforderung können wir eine Reihe von Steuergeräten und Sensoren hinzufügen.
• Das SCADA-System kann in kritischen Situationen eingesetzt werden.

Nachteile

Die Nachteile des SCADA-Systems umfassen die folgenden.

• Es ist komplex in Bezug auf abhängige Module und Hardwareeinheiten.
• Es braucht Analysten, Programmierer und qualifizierte Bediener, um zu warten
• Hohe Installationskosten
• Die Arbeitslosenquote kann erhöht werden
• Dieses System unterstützt Hardwaregeräte und eingeschränkte Software

Anwendungen

Die Anwendungen des SCADA-Systems umfassen Folgendes.

• Stromerzeugung und -verteilung
• Öffentlicher Verkehr
• Wasser- und Abwassersystem
• Herstellung
• Branchen & Gebäude
• Kommunikationsnetzwerke
• Öl- und Gasindustrie
• Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung
• Wasserverteilung und Reservoirsystem
• Öffentliche Gebäude wie elektrische Heiz- und Kühlsysteme.
• Generatoren und Turbinen
• Ampelsteuerungssystem

Das ist also alles über eine Übersicht über das SCADA-System (Überwachungssteuerung und Datenerfassung). Dieses System wird von einem Computer gesteuert, mit dem verschiedene Prozesse in Anlagen gesteuert und überwacht werden. Dieses System verwendet GUI (grafische Benutzeroberfläche), Datenkommunikation und erweiterte Verwaltung für Überwachungssysteme. Hier ist eine Frage an Sie, was ist SPS?

Fotokredit:

• Allgemeines SCADA-Netzwerk von mycpanel