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Was ist ein SCADA-System
Der Begriff SCADA steht für „Supervisory Control and Data Acquisition“. Diese Definition beschreibt klar seine Funktionen und Ziele: Überwachung, Steuerung und Datenerfassung.
Ein SCADA-System besteht im Allgemeinen aus folgenden Komponenten:
Ein oder mehrere miteinander vernetzte Computer, die für die Überwachungsfunktionen und insbesondere für die Mensch-Maschine-Schnittstelle zuständig sind
Eine Reihe von Peripheriegeräten (RTUs, I/O-Modulen oder SPS), die über Sensoren und Aktoren direkt mit dem Prozess (Maschinen, Anlagen usw.) kommunizieren
Ein Kommunikationsnetzwerk, das durch eine Vielzahl von Übertragungsmedien und Kommunikationsprotokollen gekennzeichnet ist und den korrekten Datenaustausch zwischen den Überwachungscomputern und den Peripheriegeräten gewährleistet
Unter SCADA-Software versteht man die integrierte Entwicklungsumgebung, die alle notwendigen Werkzeuge zur Erstellung von SCADA-Anwendungen bereitstellt, die auf den Überwachungscomputern ausgeführt werden, um die typischen Funktionen eines SCADA-Systems zu erfüllen: Überwachung, Steuerung und Datenerfassung.
Überwachung
Überwachung soll dem Bediener ermöglichen, den Zustand eines Prozesses zu beobachten und dessen zeitlichen Verlauf zu verfolgen, indem die Zustandsabfolge analysiert wird.
In der Praxis erfolgt die Überwachung über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), deren Wirksamkeit davon abhängt, eine klare und unmittelbare Darstellung des Prozesses, seiner Entwicklung und der Abweichungen vom erwarteten Verhalten zu liefern.
Daher kommt der Art der Informationsdarstellung eine entscheidende Bedeutung zu, da die Daten zum Prozesszustand dem menschlichen Bediener klar und präzise übermittelt werden müssen.
Ein Zustandswechsel einer Pumpe kann beispielsweise durch ein Symbol dargestellt werden, das die Farbe wechselt, der Druckverlauf über die Zeit durch ein Diagramm, und das Auslösen eines Alarms durch ein Pop-up-Fenster.
Steuerung
Die Steuerungsfunktion eines SCADA-Systems gibt dem Bediener die Möglichkeit, auf die Prozesse einzuwirken, entweder manuell oder durch vorprogrammierte Verhaltensweisen.
Es ist wichtig zu betonen, dass ein SCADA-System keine Echtzeit-Prozesssteuerung übernimmt, die stattdessen den SPS obliegt. In diesem Zusammenhang bezeichnet Steuerung die gezielte Veränderung des Prozessverhaltens; so kann beispielsweise ein anderes Produktionsrezept an den Prozess gesendet werden.
Als praktischeres Beispiel stellen wir uns einen Prozess vor, der einen bestimmten Temperaturbereich erfordert; die Echtzeit-Steuerungsebene betätigt die Aktoren, um die Temperatur zu halten, während das SCADA-System den gewünschten Sollwert festlegt, der auf einer Bedienereingabe, einem Rezept oder sogar einer aus anderen Variablen berechneten Vorgabe basieren kann.
Datenerfassung
Unter Datenerfassung versteht man in erster Linie die Übertragung von Informationen von den Peripheriegeräten zum Überwachungscomputer, aber auch in umgekehrter Richtung; diese bidirektionale Kommunikation ist wesentlich, da die Prozesssteuerung durch das Überwachungssystem neben der Erfassung der Prozessdaten auch das Senden von Befehlen an den Prozess erfordert.
Von den drei charakteristischen Funktionen eines SCADA-Systems ist die Datenerfassung die Hauptfunktion, da sie durch die Verbindung von Prozess und Überwachung sämtliche Informationen über den Prozesszustand liefert, die für dessen Beobachtung erforderlich sind.
Ziel der Datenerfassung ist es, eine zuverlässige und präzise Informationsübertragung zwischen dem Prozess und dem Überwachungssystem sicherzustellen, und zwar in einem Umfeld, das durch eine Vielzahl unterschiedlicher Übertragungsmedien und Kommunikationsprotokolle gekennzeichnet ist.
Was ist SCADA-Software
Unter SCADA-Software versteht man eine Entwicklungsumgebung, mit der Überwachungs- bzw. HMI/SCADA-Anwendungen erstellt werden können. Es gibt verschiedene SCADA-Softwarelösungen unterschiedlicher Hersteller mit teils erheblichen Unterschieden bei Preis und Leistung. Unabhängig von ihrer Komplexität weisen jedoch alle SCADA-Softwarepakete gemeinsame Merkmale auf, die folgende Aspekte abdecken: Kommunikation, Mensch-Maschine-Schnittstelle, Prozessinformationen, Berichte und Architektur.
Die Kommunikationsfunktionen werden durch Entwicklungswerkzeuge und Treiberbibliotheken realisiert, mit denen Daten mit industriellen Geräten (SPS, Reglern, Messgeräten usw.) verschiedener Hersteller aus dem Bereich der industriellen Automatisierung ausgetauscht werden können. Die Datenübertragung erfolgt über konfigurierbare Variablen und wird durch Kommunikationsprotokolle wie OPC, Siemens, Omron, Allen Bradley, Modbus RTU, Modbus TCP, KNX, Bacnet usw. ermöglicht.
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle umfasst Entwicklungswerkzeuge und Grafikbibliotheken zur Erstellung statischer und animierter Übersichtsbilder. Dabei ist zu beachten, dass die Art der Informationsdarstellung für den Erfolg einer SCADA-Anwendung entscheidend ist.
Die Prozessinformationsmodule stellen Entwicklungswerkzeuge bereit, mit denen dem Bediener der aktuelle Zustand (Online-Daten) des Prozesses sowie dessen zeitlicher Verlauf (historische Daten) vermittelt werden. Zwei zentrale Bestandteile dieser Funktion sind die Alarmverwaltung und die grafische Trenddarstellung erfasster Variablen im Zeitverlauf.
Die Berichtsfunktionen stellen Entwicklungswerkzeuge zur Erfassung, Organisation und Verarbeitung von Daten bereit. Dies erfolgt durch die Erstellung von Berichtsdateien für die Produktionsauswertung und Qualitätskontrolle. Berichte können sich auf eine bestimmte Produktionscharge beziehen, deren Eigenschaften hervorheben und deren Übereinstimmung mit den geforderten Anforderungen bestätigen.
Der Architekturaspekt beschreibt eine Reihe von Werkzeugen und Gestaltungsprinzipien zum Aufbau eines komplexen Systems miteinander verbundener Anwendungen. Diese Anwendungen müssen über lokale (LAN) oder öffentliche (Internet) Netzwerke miteinander kommunizieren können und für mehrere Bediener sowohl lokal als auch remote über einen Webbrowser zugänglich sein.
Vorteile von SCADA-Software
SCADA-Anwendungen werden in den meisten Industriebereichen eingesetzt und bieten Unternehmen jeder Größe, unabhängig von ihrer Branche, einen erheblichen Mehrwert. SCADA-Software ist einfach und intuitiv und als ideale Entwicklungsumgebung für die Erstellung komplexer SCADA-Anwendungen konzipiert.
SCADA-Anwendungen bieten viele Vorteile; darunter können sie die Produktivität steigern, indem sie repetitive und monotone Aufgaben ohne menschliches Eingreifen ausführen, schneller und konsistenter auf Alarme reagieren und Umweltrisiken reduzieren, indem sie eine schnellere Erkennung und Reaktion auf abnormale Betriebsbedingungen ermöglichen. Allgemeiner bieten SCADA-Systeme die folgenden Kernfunktionen:
Sie liefern eine große Menge an Prozessinformationen. Alle von Sensoren und Echtzeit-Steuergeräten (SPS) erfassten Daten werden gesammelt, gespeichert und weiterverarbeitet, um Qualitätskontrolle, Effizienzanalyse und Produktionsoptimierung zu ermöglichen.
Sie bieten eine klare und intuitive Übersicht der Anlage. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) stellt den gesamten Prozess, seine Entwicklung und Abweichungen vom erwarteten Verhalten grafisch dar. Dadurch werden Prozessdaten dem Bediener klar und präzise vermittelt.
Sie lassen sich leicht skalieren und passen sich dem Wachstum von Systemen an. Die modulare und flexible Architektur der SCADA-Software ermöglicht die Anpassung an sich verändernde Anforderungen in wachsenden Industrieumgebungen und reagiert effektiv auf die Herausforderungen eines globalisierten Marktes.
Sie ermöglichen die zentrale Steuerung verteilter Systeme. Viele industrielle Systeme, wie Versorgungsnetze (Wasser, Strom usw.), sind über große geografische Gebiete verteilt und erfordern traditionell entweder dauerhaftes Personal vor Ort oder regelmäßige Wartungsbesuche. SCADA-Anwendungen ermöglichen die Fernüberwachung von Feldgeräten und den Zugriff auf Systeminformationen von überall aus über einen Webbrowser.
Arten von SCADA-Software
Eine erste Unterscheidung betrifft den Softwareplattformtyp:
Es handelt sich um dedizierte Plattformen, bestehend aus Software, die „ad hoc" zur Überwachung einer bestimmten Maschine oder Anlage entwickelt wurde. Sie kann entweder vom selben Hersteller entwickelt werden, der auch die zu überwachende Maschine liefert, oder von einem Softwareunternehmen auf Grundlage der vom Kunden vorgegebenen Anforderungen, zum Beispiel zur Überwachung einer Anlage. Obwohl der Bediener in der Regel Konfigurationsparameter und Produktionsrezepte anpassen kann, hat diese Art von Überwachungssoftware eine grundlegende Einschränkung: Sie kann nicht wachsen oder sich an andere, ursprünglich nicht vorgesehene Nutzungsbedingungen anpassen.
Offene Plattformen sind auf Vielseitigkeit ausgelegt und bieten dem Anwender eine integrierte Entwicklungsumgebung zur Erstellung einer SCADA-Anwendung, das heißt alle notwendigen Werkzeuge zur Verwaltung der typischen Funktionen einer SCADA-Anwendung (Kommunikationsprotokolle mit den Feldgeräten, Grafikbibliotheken für die Übersichtsbilder usw.). Die Software ist zweistufig aufgebaut: eine erste, allen Anwendern gemeinsame Ebene, die SCADA-Plattform, und eine zweite, für die jeweilige Maschine oder Anlage spezifische Ebene, die vom Anwender erstellte SCADA-Anwendung. Der große Vorteil der offenen gegenüber der geschlossenen Plattform besteht darin, dem Anwender die vollständige Freiheit zu lassen, das Projekt zu erweitern oder zu ändern.
Ein SCADA-System kann aus einem einzigen Überwachungs-PC bestehen, der mit Feldgeräten verbunden ist. Dies ist die häufigste, aber nicht unbedingt die einfachste Konfiguration. Solche Systeme können mehrere Anlagen überwachen, die teils über große Entfernungen oder weite geografische Gebiete verteilt sind; die Komplexität hängt zudem von der Anzahl der zu verwaltenden Variablen (von wenigen bis zu Zehntausenden), der Anzahl der angeschlossenen Feldgeräte und den eingesetzten Kommunikationsprotokollen ab. Der einfachste Fall ist ein einzelner PC, der über eine einzige SPS mit einer einzigen Maschine verbunden ist; man spricht dann von SCADA-HMI.
Ein SCADA-System kann auch aus mehreren miteinander verbundenen PCs bestehen, die über lokale (LAN) oder öffentliche (Internet) Netzwerke interagieren können und in einer mehrstufigen Hierarchie organisiert sind. Die häufigste Architektur besteht aus einem zentralen PC, mit dem mehrere PCs der zweiten Ebene verbunden sind; diese PCs der zweiten Ebene können nach geografischen Kriterien (jeder PC ist für ein anderes Gebiet zuständig) oder funktionalen Kriterien (jeder PC übernimmt eine andere Aufgabe) organisiert sein; der zentrale PC ermöglicht den Zugriff auf alle Systemdaten von einem zentralen Standort aus.
Schließlich betrifft eine dritte Unterscheidung die Echtzeitanforderungen:
Klassische SCADA-Systeme haben keine besonderen Echtzeitanforderungen. Ihre Hauptaufgabe bleibt die Erfassung von Prozessinformationen, um dem Bediener einen zusammenfassenden Überblick über den Zustand zu geben, das Auftreten von Alarmen rechtzeitig zu melden, alle Informationen zu protokollieren und Berichte für die Produktions- und Qualitätsverantwortlichen zu erstellen. Die Datenübertragung zum Feld beschränkt sich in der Regel auf die Anlagenkonfiguration oder die Übermittlung von Rezepten; selbst wenn das SCADA-System die Prozesssteuerung übernimmt, werden Verzögerungen von mehr als einer Sekunde als akzeptabel angesehen.
Andere SCADA-Systeme erfordern strengere Echtzeitbedingungen. Diese Systeme bestehen typischerweise aus mehreren Mikrocontrollern, die über ein lokales Netzwerk mit einem Überwachungs-PC verbunden sind und auf deterministischem Betrieb mit Millisekunden-Reaktionszeiten basieren. In diesen Fällen spricht man genauer von DCS-Systemen, die aufgrund ihrer hohen Kosten nur in großen Anlagen gerechtfertigt sind, die außergewöhnliche Anforderungen an Zuverlässigkeit, Präzision und Sicherheit stellen.
Auswahl an SCADA-Software
Die Wahl der SCADA-Software hängt von mehreren Faktoren ab, darunter persönliche Präferenzen, Komplexität der Anwendung, erforderliche Funktionen, verfügbares Budget und kundenspezifische Vorgaben. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Einarbeitungszeit, die mit der Komplexität der Software zunimmt. Der Einsatz komplexer Software ist in der Regel bei großen und komplexen Industriesystemen gerechtfertigt, deren Kosten die selbst der teuersten SCADA-Systeme um mehrere Größenordnungen übersteigen, wodurch Lizenz- und Entwicklungskosten weniger relevant werden. Für kleinere und weniger kostenintensive Systeme wird häufig eine einfachere und günstigere SCADA-Software mit geringeren Schulungsanforderungen bevorzugt. Unter der Annahme, dass das Projekt eine eher einfache Anwendung mit einem einzelnen PC zur Anbindung mehrerer Geräte ohne strenge Echtzeitanforderungen umfasst, sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
Projektgröße: Der erste zu berücksichtigende Aspekt ist die Anzahl der benötigten Variablen (Tag), die mit den externen Geräten ausgetauscht werden müssen. Die Wahl der Lizenz, die Systemreaktionszeiten und die Entwicklungszeit hängen von der Anzahl der Tags ab.
Kompatibilität mit Feldgeräten: Es ist wichtig zu überprüfen, ob die SCADA-Software alle von den Feldgeräten benötigten Kommunikationsprotokolle unterstützt; alternativ kann ein kompatibler OPC-Server auf dem Leit-PC installiert werden. Ein OPC-Server fungiert als Vermittler zwischen der SCADA-Anwendung und den Feldgeräten und stellt deren Daten über die standardisierte OPC-Schnittstelle bereit.
Integration mit anderer Software: Wenn die Anwendung mit anderen Unternehmenssystemen wie MES oder ERP interagieren muss, sollte diese Fähigkeit überprüft werden. Dies wird in der Regel über die OPC-UA-Client/Server-Protokolle realisiert.
Browser-Zugriff: Wenn die Anwendung über das Web auf Desktop- oder Mobilgeräten remote zugänglich sein muss, sollte diese Fähigkeit überprüft werden.
Kompatibilität mit externen DBMS: Wenn die Anwendung mit externen Datenbanksystemen (MySQL usw.) für Datenlogging oder API-Abfragen (SELECT, INSERT, UPDATE usw.) interagieren muss, sollte diese Fähigkeit überprüft werden.
Fernwartung: Wenn die Anwendung eine Schnittstelle zur Konfiguration entfernter Geräte (SPS) ohne direkten Netzwerkzugang (z.B. feste IP oder DNS) bereitstellen muss, sollte diese Fähigkeit überprüft werden.
Die Wahl der SCADA-Software und ihrer Lizenz sollte stets ein Gleichgewicht zwischen gewünschter Funktionalität, Kosten sowie Entwicklungs- und Lernzeiten darstellen. Manchmal ist die leistungsstärkste Software nicht die beste Lösung, da einige Funktionen möglicherweise nicht erforderlich sind. Eine Software mit weniger Funktionen kann günstiger, zuverlässiger, weniger komplex und einfacher zu bedienen sein. Schneller und effektiver technischer Support ist ein oft unterschätzter Aspekt, der das Endergebnis stark beeinflusst und berücksichtigt werden sollte.
SCADA, IoT und Industrie 4.0
IoT (Internet of Things) und IIoT (Industrial Internet of Things) bezeichnen jede Technologie, mit der Objekte (Sensoren, Aktoren, Fahrzeuge, Hausautomatisierungsmodule usw.) mit dem Internet verbunden und ihre Daten über leichte Kommunikationsprotokolle wie MQTT in die Cloud gesendet werden.
Um der wachsenden Nachfrage nach Cloud-Anwendungen gerecht zu werden, haben sich SCADA-Systeme weiterentwickelt, um das Industrial Internet of Things zu integrieren und zu erweitern. Die Kombination dieser beiden Technologien hat dazu geführt, dass die Datenerfassung industrieller Prozesse schneller, präziser und sogar sicherer (Cybersicherheit) geworden ist.
Aufgrund ihrer Architektur eignen sich diese Systeme besonders für:
Fernwartung, Ferndiagnose und Fernsteuerung
Überwachung und Steuerung der Betriebsbedingungen von Maschinen
Überwachung von Energie- und Wasserverbrauch sowie Emissionsreduktion
Qualitätskontrolle von Produktionssystemen und Prozessen
Diese Systeme setzen die wichtigsten Schlüsseltechnologien (Key Enabling Technologies – KETs) der Industrie 4.0 um (SCADA, IoT, Cloud, Big Data, Cybersicherheit) und entsprechen vollständig den Leitlinien des italienischen Nationalen Plans Industrie 4.0, der mit dem Haushaltsgesetz 2017 eingeführt wurde.
Beispiele für SCADA-Anwendungen
Die Entwicklung von SCADA-Anwendungen hat ihren Ursprung in der industriellen Automatisierung als Antwort auf den Bedarf an zentralisierten Leitsystemen, die alle Prozessinformationen einheitlich zugänglich machen, mit besonderem Fokus auf die Anlagenzuverlässigkeit durch Alarmmanagement und Wartungsunterstützung.
SCADA-Anwendungen werden in zahlreichen Bereichen der industriellen Automatisierung eingesetzt, darunter Kunststoff, Holz, Lebensmittel, Keramik, Textil und Verpackung, und unterstützen die Produktionsoptimierung durch automatisierte Funktionen wie Qualitätskontrolle, Einhaltung von Vorschriften, Effizienzüberwachung und Berichterstattung.
Im Laufe der Zeit haben sich SCADA-Systeme über die industrielle Automatisierung hinaus auf die Fernüberwachung öffentlicher Versorgungsnetze (Strom, Wasser, Bahn usw.), die Gebäudeautomation und die Hausautomation ausgeweitet.
Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für SCADA-Anwendungen:
