Remote Terminal Units (RTUs): Schlüsselelemente von SCADA-Systemen

RTU steht für Remote Terminal Unit. Eine RTU ist ein Steuergerät, das typischerweise an einem entfernten Standort als Teil eines großen Systems installiert wird. Der Hauptzweck einer RTU ist die Überwachung und Steuerung von Feldgeräten – Ventile, Aktoren, Sensoren und mehr. RTUs sind essenzielle Komponenten von SCADA-Systemen (Supervisory Control and Data Acquisition) und stellen die Schnittstelle zwischen SCADA-Steuerung und physischen Prozessen her.

RTUs werden manchmal fälschlicherweise als SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen) klassifiziert aufgrund ihrer Ähnlichkeiten und der Dominanz der SPS in der industriellen Automatisierung. Es gibt jedoch mehrere technische Unterschiede sowie unterschiedliche Anwendungen, für die das eine oder andere besser geeignet ist.

Die Geschichte der RTUs ist eng mit der der SCADA verknüpft. Die frühesten SCADA-Systeme entstanden in den 1950er Jahren in Kraftwerken. Die Herausforderung: Datenerfassung von vernetzten Umspannwerken und Übermittlung an die Hauptwarte. Dies gelang durch die ersten Telemetrieanwendungen – im Wesentlichen die ersten RTUs.

In den 1960er und 1970er Jahren, mit Fortschritten in der Informatik, wurden die ersten elektronikbasierten SCADA- und RTU-Systeme möglich. Instrumentierung wurde über größere Distanzen installiert, und RTUs boten die Fähigkeit, größere Datenmengen zu erfassen und grundlegende Steuerfunktionen auszuführen.

Die moderne RTU-Version wurde in den 1980ern eingeführt und in den 1990ern weiterentwickelt. Die RTU war nun mikroprozessorbasiert und konnte fortgeschrittenere Logik ausführen, ähnlich wie SPS. Neue Kommunikationsprotokolle ermöglichten zuverlässigeren Datenaustausch. RS-232, RS-485 und später Ethernet zählen zu den am weitesten verbreiteten Protokollen. Zeitgenössische RTUs bieten mehr Features und Funktionalitäten.

RTU-Komponenten

Eine RTU besteht aus einer Hardware-Platine, auf der ein oder mehrere Ein-/Ausgangsmodule (I/O) installiert sind. Die wichtigsten Komponenten sind Zentraleinheit (CPU), Netzteil, Kommunikationsport und physische I/O. Diese betrachten wir im Detail.

Zentraleinheit (CPU)

Die CPU kann aus einer oder mehreren komplexen Schaltkarten bestehen, die die zentrale Funktionsverarbeitung ausführen. Moderne RTUs nutzen 32-Bit-Mikroprozessoren. Die CPU verwendet einen Watchdog-Timer, um zu validieren, dass die Zyklusausführung korrekt erfolgt. Das CPU-Modul kann auch mit Ethernet-Kommunikationsports ausgestattet sein. Einige RTUs verfügen über Dual-CPUs, konfiguriert als primär und Backup – dies bietet Geräte-Redundanz.

Viele RTUs können mit Sprachen und Syntax ähnlich wie SPS programmiert werden – KOP, Strukturierter Text. Andere erfordern komplexeres Coding in C# oder anderen Sprachen. Wieder andere können bei einfachen Anwendungen über Webinterfaces programmiert werden.

Netzteil

RTUs werden normalerweise kontinuierlich vom Hauptnetz versorgt. Die entfernten Standorte, an denen RTUs installiert werden, sind jedoch typischerweise mit Backup-Batteriemodulen ausgestattet. Dies sichert den unterbrechungsfreien Betrieb für eine gewisse Zeit. Die gängigste Batterieart ist Blei-Säure, wobei Lithiumbatterien kürzlich an Popularität gewinnen.

Kommunikationsports

Jede RTU benötigt eine Möglichkeit, mit der außenstehenden Client-(Master-)SCADA-Station zu kommunizieren. Dazu ist sie mit mindestens einem Kommunikationsport ausgestattet. RTUs unterstützen viele Protokolle, darunter Ethernet, RS-232 und Modbus. Zu den gängigsten Topologien in RTU- und SCADA-Netzen zählen Ring, Stern, Bus u. a.

Physische I/O

RTUs unterstützen die vier gängigsten I/O-Modultypen: digitale Eingänge, digitale Ausgänge, analoge Eingänge, analoge Ausgänge. Digitale Eingänge erfassen Status- und Alarmsignale von Feldgeräten. Digitale Ausgänge senden Signale und Befehle an Feldgeräte. Analoge Ein- und Ausgänge arbeiten mit variablen Strömen oder Spannungen, typischerweise 0–1 mA bzw. 0–10 V.

Nun, da wir verstehen, wie RTUs funktionieren und woraus sie bestehen, schauen wir kurz darauf, wie sie in SCADA-Systeme passen.

RTUs in SCADA-Systemen

Eine vollständige SCADA-Architektur umfasst verschiedene Feldgerätetypen. Diese können mit einer oder mehreren RTUs im System verbunden sein und Daten über physikalische Ereignisse übermitteln. Angesichts der Vielfalt unterschiedlicher SCADA-Systeme gibt es heute eine breite Palette an Feldgeräten am Markt.

Zu den häufigsten Geräten zählen Näherungssensoren, Temperatursensoren, Durchflussmesser, Füllstandsmesser (für Flüssigkeiten), drahtlose Sensoren und mehr. Die Rolle der RTU besteht darin, die von diesen Feldgeräten gelieferten Informationen zu bündeln und an die zentrale SCADA-Steuerung zu kommunizieren.

RTUs sind wichtige Geräte in SCADA, besonders über große Distanzen. Sie lassen sich leicht in Leitsysteme integrieren und sind beliebt für die Fernüberwachung von Zuständen – etwa Füllständen. Im nächsten Artikel gehen wir tiefer auf die Unterschiede zwischen RTUs und SPS ein.