SCADA-Systeme: Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse

SCADA ist eines der am häufigsten verwendeten Akronyme in der Steuerungsbranche und steht für Supervisory Control and Data Acquisition (Überwachungssteuerung und Datenerfassung). Die Softwareanwendung wird breit in der Prozesssteuerung eingesetzt und besteht aus einem zentralen Steuerungssystem sowie Controller-Netzwerkschnittstellen, Ein-/Ausgängen und Kommunikationsausrüstung.

Der primäre Zweck von SCADA-Systemen ist die Überwachung und Steuerung von Ausrüstung in industriellen Prozessen, die Produktion, Entwicklung, Fertigung und Fabrikation umfassen. Zudem werden diese Systeme auch in infrastrukturellen Prozessen wie Öl & Gas, Stromverteilung und Wasserversorgung eingesetzt.

Architektur

Ein SCADA-System basiert allgemein auf zentralisierten Topologien und überwacht & steuert ein gesamtes geografisches Gebiet. Es ist ein Softwarepaket, das auf einer Hardware-Schicht sitzt, Prozessdaten sammelt und diese übermittelt. Steueraktionen werden durch Remote Terminal Units (RTUs) ausgeführt, im Allgemeinen SPS und zugehörige Controller. Beispielsweise wird in einem thermischen Kraftwerk die Temperatur durch ein Array von Sensoren erfasst, während die entsprechende Steueraktion (Ventil) über analoge SPS-Ausgänge ausgeführt wird.

SCADA-Systeme ermöglichen es Bedienern, Sollwerte zu ändern, Alarmbedingungen zu modifizieren und notwendige Logs für spätere Analysen einzurichten. Die Systeme kommunizieren üblicherweise durch ein Netzwerk aus drahtlosen und kabelgebundenen Technologien und können auf proprietären Protokollen laufen.

Hardware

Im Allgemeinen lassen sich SCADA-Systeme in zwei Bereiche unterteilen:

• Client-Layer
• Data Service Layer

Der Client-Layer befasst sich mit der Mensch-Maschine-Interaktion, während der Data Service Layer die Datenverarbeitungsaktivitäten handhabt. Der Data Service kommuniziert mit Feldgeräten wie RTUs, Sensoren etc. über WAN- oder LAN-Netzwerke. RTUs wandeln Sensorsignale in digitales Format um, bevor sie sie an den Master senden, woraufhin entsprechende Steuersignale an Relais generiert werden.

Software

Server in SCADA-Systemen werden primär für Multitasking- und Echtzeit-Datenbankfunktionen eingesetzt. Sie sind verantwortlich für das Sammeln & Übergeben von Daten, das Bereitstellen von Trends und Diagnoseinformationen zum Betrieb. Je nach Funktionsumfang gibt es möglicherweise auch Optionen zur Einrichtung von Predictive-Maintenance-Schemata, Logistikinformationen etc. Die Fähigkeiten der Softwareseite hängen vom Anbieter oder Entwicklungsteam ab.

Arbeitsweise eines SCADA-Systems

Die primären Funktionen von SCADA-Systemen können wie folgt aufgeschlüsselt werden. Diese Funktionen werden durch eine Kombination aus Sensoren, RTUs, Controllern und Kommunikationsnetzwerken ausgeführt.

• Datenerfassung:

Realwelt-Systeme bestehen aus Tausenden von Knoten, was ihre Verwaltung zu einer Herausforderung macht. Es ist vital, präzise Informationen über den Status bestimmter Sensoren zu haben. Die Genauigkeit von Steuerungssystemen hängt von der Qualität der Datenerfassung ab.

• Datenkommunikation

SCADA-Systeme können kabelgebundene oder drahtlose Kommunikationstechnologien zwischen Geräten und Benutzern nutzen. Echtzeitsysteme haben Sensoren und Geräte über ein weites geografisches Gebiet verteilt, was drahtlose Netzwerke zur Norm macht. Zudem können für SCADA-Systeme, die mehrere entfernte Gebiete verwalten, Internetkommunikation genutzt werden. Im Allgemeinen verfügen SCADA-Systeme über spezifische Protokolle, und die Kommunikation erfolgt über VPNs, um Eindringlinge zu verhindern.

• Informations-/Datenpräsentation

Ein HMI (Human Machine Interface) wird von SCADA eingesetzt, um dem Benutzer Informationen bereitzustellen, die von verschiedenen vernetzten Geräten gesammelt wurden. Die Informationen werden so angezeigt, dass sie verständlich und handlungsorientiert sind, da es Situationen geben kann, in denen schnelles Benutzerhandeln erforderlich ist. Die Schnittstelle nutzt üblicherweise grafische Darstellungen realer Objekte wie Pumpen oder Tanks, um Prozesse verständlich zu machen.

• Überwachung/Steuerung

SCADA-Systeme verwenden verschiedene Schalter für den Betrieb mehrerer Geräte und die Anzeige ihres Status im Kontrollbereich. Prozesse können ein-/ausgeschaltet oder basierend auf einem analogen Wert über diese Schalter modifiziert werden. Die meisten Prozesse sind automatisiert gegen benutzerdefinierte Sollwerte, während andere kritische Aufgaben zusätzliche menschliche Eingriffe erfordern können.

Einer der größten Vorteile von SCADA-Systemen ist ihre Skalierbarkeit. Die Erweiterung von SCADA-Systemen ist einfach und erfordert keine außergewöhnlichen Anstrengungen. Zudem wurden diese Systeme seit Jahrzehnten entwickelt und haben daher einen Reifegrad erreicht, der sie für missionskritische Anwendungen nutzbar macht.