Úvod do dohledového řízení a získávání dat (SCADA) pro začátečníky

Systémy SCADA hrají klíčovou roli v průmyslových provozech, napomáhají udržovat vysokou efektivitu, identifikovat a řešit systémové problémy a shromažďovat data pro lepší rozhodování.

Dříve mnoho průmyslových závodů a odlehlých pracovišť spoléhalo na ruční monitorování a ovládání elektrických zařízení pomocí analogových ukazatelů a tlačítek.

S růstem rozlohy průmyslových objektů se objevila potřeba efektivnějšího způsobu řízení elektrických zařízení na větší vzdálenosti. Některé organizace začaly využívat časovače a relé, což představovalo určitý pokrok v automatizaci.

Ačkoli časovače a relé přinesly řešení některých problémů, měly omezenou funkčnost a jejich konfigurace byla složitá. Ovládací panely zabíraly více prostoru a vyhledávání závad bylo obtížné. Tím vznikaly nové potíže.

Pro překonání těchto výzev byla zavedena technologie SCADA.

Rozmach PLC a mikroprocesorů v éře nástupu SCADA umožnil organizacím dosáhnout bezprecedentní úrovně monitorování a řízení automatizovaných procesů.

V tomto článku se podíváme na SCADA, její použití, funkce, komponenty, typy a další aspekty.

Začněme!

Co je to SCADA?

Systém SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), neboli systém dohledového řízení a sběru dat, je specializovaná aplikace, která průmyslovým odvětvím umožňuje řídit jejich procesy. Zahrnuje shromažďování dat v reálném čase z odlehlých míst za účelem řízení provozu zařízení a nabízí širokou škálu nástrojů pro rozhodování založená na aktuálních datech.

SCADA přinesla revoluci v monitorování a řízení průmyslových procesů již od 70. let minulého století.

Na přelomu 20. a 21. století prošla SCADA transformací. Začaly se uplatňovat otevřené systémové architektury a komunikační protokoly, které nebyly vázány na konkrétní dodavatele. Využití komunikačních technologií, jako je Ethernet, umožnilo systémům komunikovat s různými dodavateli, čímž se překonala omezení starších systémů SCADA.

Moderní systémy SCADA poskytují přístup k datům v reálném čase z libovolného místa na světě. To umožňuje firmám, jednotlivcům i vládním institucím přijímat informovanější rozhodnutí o zlepšování procesů. Bez specializovaného softwaru SCADA by takové množství dat nebylo možné efektivně shromáždit.

Navíc moderní software SCADA nabízí funkce rychlého vývoje aplikací (RAD), které umožňují uživatelům snadno vytvářet aplikace, a to i bez rozsáhlých znalostí v oblasti vývoje softwaru.

Implementace moderních IT standardů, jako jsou webové aplikace a databáze SQL, do softwaru SCADA zvýšila úroveň zabezpečení, spolehlivosti, produktivity a celkové efektivnosti těchto systémů.

Velkou výhodou použití databází SQL je jejich snadná integrace do systémů ERP a MES, což zajišťuje plynulý tok dat v rámci celé organizace.

SCADA je tedy systém hardwarových a softwarových komponent, které průmyslovým podnikům umožňují:

• Řídit průmyslové procesy lokálně i na dálku.
• Monitorovat, shromažďovat a analyzovat data v reálném čase.
• Komunikovat se zařízeními, jako jsou čerpadla, ventily, senzory, motory a další, pomocí rozhraní HMI (Human Machine Interface).
• Zaznamenávat všechny události do protokolu.

Základem architektury jsou vzdálené terminálové jednotky (RTU) a programovatelné logické automaty (PLC). Tyto mikropočítače komunikují s různými zařízeními, jako jsou senzory, koncové prvky, HMI a průmyslové stroje. RTU a PLC přenášejí data z těchto zařízení do počítačů vybavených softwarem SCADA.

Software SCADA poté data zpracovává, vizualizuje a distribuuje, a umožňuje pracovníkům analyzovat informace a přijímat důležitá rozhodnutí.

Například, systém SCADA okamžitě upozorní operátora na výrobní dávku, která vykazuje vady. Operátor pozastaví výrobu, zobrazí data ze systému prostřednictvím HMI a určí příčinu problému. Z analýzy dat zjistí, že "Stroj 4" nefunguje správně.

Systém SCADA tak pomáhá operátorům identifikovat problém, rychle jej vyřešit a zabránit dalším ztrátám.

Komponenty systému SCADA

Systémy SCADA se skládají z různých komponent, které se používají pro sběr dat v reálném čase a pro zlepšení automatizace průmyslových procesů.

Pojďme si jednotlivé komponenty podrobněji rozebrat.

#1. Senzory a akční členy

Senzor je zařízení, které detekuje vstupní signály z průmyslových procesů. Akční člen je zařízení, které řídí mechanismus těchto procesů. Senzory slouží jako měřidla pro zobrazení stavu stroje.

Akční členy fungují jako ovladače, přepínače nebo regulátory a používají se k ovládání zařízení. Obě skupiny jsou monitorovány a řízeny řídicími jednotkami SCADA.

#2. Řídicí jednotky SCADA

Řídicí jednotky SCADA jsou přímo propojeny s akčními členy a senzory. Dělí se do dvou kategorií:

#3. Dohledové počítače SCADA

Dohledové počítače řídí všechny procesy související se SCADA. Shromažďují data z provozních zařízení a odesílají příkazy k řízení průmyslových procesů.

#4. Software HMI

Tento software slouží k potvrzování a zobrazování dat z polních zařízení SCADA. Umožňuje operátorům pochopit a upravovat stav procesů řízených systémem SCADA.

#5. Komunikační infrastruktura

Komunikační infrastruktura umožňuje dohledovým systémům SCADA komunikovat s řídicími jednotkami a polními zařízeními. To umožňuje systémům SCADA shromažďovat data z provozních zařízení a ovládat je.

Vlastnosti systémů SCADA

Systémy SCADA obsahují specifické funkce pro konkrétní aplikace nebo průmyslová odvětví. Většina systémů podporuje následující funkce:

• Sběr dat: Senzory shromažďují data a dodávají je řídicím jednotkám. Ty je poté předávají počítačům SCADA.
• Dálkové ovládání: Akční členy se ovládají na základě dat získaných ze senzorů.
• Síťová datová komunikace: Umožňuje všechny funkce SCADA. Data se přenášejí ze senzorů do řídicích jednotek SCADA, které komunikují s počítači SCADA. Příkazy se posílají zpět k akčním členům z nadřazených počítačů.

• Vizualizace dat: Data se prezentují pomocí HMI, což operátorům umožňuje sledovat aktuální i historická data potřebná pro provoz systému SCADA.
• Alarmy: Upozorňují operátory na důležité stavy v systému SCADA. Lze je nakonfigurovat tak, aby informovaly operátory o problémech, selhání systémů nebo situacích vyžadujících zastavení, spuštění nebo úpravu procesů.
• Data v reálném čase a historická data: Umožňují uživatelům sledovat aktuální výkon ve srovnání s historickými trendy.
• Reportování: Zahrnuje sestavy o výkonu procesů, stavu systému a přizpůsobené zprávy pro specifické použití.

Jak funguje SCADA

Systémy SCADA vykonávají funkce, jako je sběr dat, komunikace, prezentace dat a monitorování/řízení. Tyto funkce zajišťují komponenty jako senzory, RTU, řídicí jednotky a komunikační síť.

Senzory shromažďují důležitá data, RTU je odesílají do řídicí jednotky pro zobrazení stavu systému. Na základě stavu systému uživatel dává příkazy ostatním komponentám k provedení jejich funkce. Komunikační síť zajišťuje přenos dat.

Podívejme se podrobněji na jednotlivé funkce, abychom lépe porozuměli principu fungování systémů SCADA.

Sběr dat

Systém SCADA v reálném čase shromažďuje data z mnoha senzorů a komponent a odesílá je k dalšímu zpracování.

Například, některé senzory měří průtok vody z nádrže do zásobníku, zatímco jiné měří tlak vody při uvolňování. Senzory tedy získávají různé typy dat, aby bylo možné posoudit, zda všechny procesy probíhají správně.

Datová komunikace

Systémy SCADA využívají kabelovou síť pro sběr a přenos dat mezi uživateli a zařízeními. Aplikace SCADA v reálném čase používají komponenty a senzory, které jsou dálkově ovládány a využívají internetovou komunikaci. Vzhledem k tomu, že relé a senzory nemohou komunikovat přímo, RTU se používají pro komunikaci mezi síťovými rozhraními a senzory.

Prezentace dat

V běžných sítích jsou kontrolky, které slouží pro vizuální kontrolu. V aplikacích SCADA v reálném čase existuje mnoho alarmů a senzorů, které nelze spravovat jednotlivě. Systém SCADA využívá HMI k zobrazení všech dat shromážděných z různých senzorů.

Monitorování a kontrola

Systém SCADA používá pro ovládání zařízení různé spínače a zobrazuje stav řízeného prostoru. Pomocí těchto spínačů lze ze stanice zapnout nebo vypnout jakoukoli část systému. Aplikace SCADA funguje automaticky bez lidského zásahu, s výjimkou kritických situací.

Typy SCADA

Systémy SCADA se dělí do čtyř hlavních typů: monolitické, distribuované, síťové a IoT SCADA systémy.

#1. Monolitické SCADA systémy

První generace systémů SCADA, tzv. monolitické systémy, využívají minipočítače. Tyto systémy byly vyvíjeny, když nebyly dostupné běžné síťové služby. Každý systém fungoval jako samostatná jednotka, nezávisle na ostatních systémech.

Data se shromažďovala z RTU pomocí záložního sálového počítače. Hlavními funkcemi systémů první generace byly označování procesů a monitorování senzorů.

#2. Distribuované SCADA systémy

Distribuované systémy SCADA představují druhou generaci systémů. Ovládací funkce jsou rozděleny mezi různé systémy a propojeny přes LAN. Řídicí operace se provádějí zpracováním příkazů a sdílením dat v reálném čase.

V tomto systému se snížily náklady a velikost jednotlivých stanic, nicméně neexistovaly jednotné síťové protokoly.

#3. Síťové SCADA systémy

Síťové systémy SCADA, neboli systémy třetí generace, používají k přenosu dat systémy WAN, včetně telefonních linek a datových linek.

Data se mezi uzly přenášejí pomocí optických nebo ethernetových připojení. PLC se používají k úpravě, monitorování a řízení procesů.

#4. IoT SCADA systémy

Systémy IoT SCADA představují čtvrtou generaci systémů. Náklady na infrastrukturu jsou minimalizovány implementací IoT prostřednictvím cloud computingu. Integrace a údržba těchto systémů je jednodušší než u předchozích generací.

V systému v reálném čase lze stav komponent hlásit prostřednictvím cloud computingu.

Výhody SCADA

Mezi hlavní výhody systémů SCADA patří:

• Škálovatelnost: Moderní systémy SCADA jsou škálovatelné díky lepší dostupnosti softwaru a hardwaru, využití cloud computingu a schopnosti reagovat na změny v poptávce.
• Interoperabilita: Moderní systémy SCADA se nespoléhají na proprietární software a hardware, což eliminuje závislost na jednom dodavateli.
• Komunikace: SCADA podporuje moderní komunikační protokoly, které umožňují lepší přístup k ovládacím prvkům a datům.
• Podpora: Moderní systémy SCADA jsou dobře podporovány výrobci. Díky využívání otevřených síťových standardů, moderních platforem pro vývoj softwaru a komerčního hardwaru jsou k dispozici i dodavatelé třetích stran.

Omezení SCADA

Mezi omezení systémů SCADA patří:

• Komplexní hardwarové jednotky a závislé moduly.
• Potřeba programátorů, kvalifikovaných operátorů a analytiků pro údržbu.
• Vysoké náklady na instalaci.
• Obavy z dopadu automatizace na zaměstnanost.

Případy použití SCADA

SCADA se používá v mnoha průmyslových odvětvích pro řízení a automatizaci procesů, které se staly příliš složitými na ruční ovládání a monitorování.

SCADA je užitečná pro dálkově řízené a monitorované procesy, zejména tam, kde je možné minimalizovat plýtvání a zvýšit efektivitu.

Mezi běžné příklady průmyslové automatizace SCADA patří:

• Rafinace ropy a zemního plynu
• Výroba a rozvod elektřiny
• Chemická výroba
• Telekomunikační infrastruktura
• Výroba a související procesy
• Doprava a lodní doprava
• Infrastruktura veřejných služeb, jako je řízení vodovodů a odpadních vod
• Zpracování potravin a nápojů

Díky technologii SCADA lze tyto procesy sledovat a řídit za účelem zlepšení výkonu. Efektivní systémy vedou k úspoře peněz a času.

Moderní svět využívá systémy SCADA v různých oblastech, například pro údržbu chladicích systémů, zajištění bezpečnosti výroby v rafinériích, dosažení standardů kvality v čistírnách odpadních vod, sledování spotřeby energie v domácnostech a další.

Jak implementovat řešení SCADA

Při implementaci systému SCADA je třeba zvážit následující kroky:

• Jasně definujte cíle monitorování a porozumějte jim.
• Určete, jaký typ dat chcete shromažďovat a jakým způsobem.
• Přidejte brány a připojte se k existujícím bodům sběru dat.
• V případě potřeby vytvořte nové body sběru dat.
• Centralizujte data do požadovaného monitorovacího centra.
• Mapujte data v softwaru SCADA podle vašeho výběru.
• Přidejte vizualizace ovládacích prvků a procesů.
• Definujte pravidla a automatizaci.

Jakmile jsou tyto kroky dokončeny, software SCADA se postará o zbytek. Umožní vám komunikovat se zařízeními, upozorňovat na problémy, poskytovat informace pro prediktivní údržbu a nabízet řízení zařízení.

Závěr

SCADA nabízí efektivní způsob řízení průmyslových procesů, shromažďování dat a identifikaci systémových problémů pro jejich rychlé řešení. Místo ručního provádění úkolů, které by mohlo znamenat ztrátu času i peněz, můžete tyto procesy automatizovat pomocí systému SCADA.

Implementace SCADA by měla mít jasně definované cíle. Proto je klíčové před zavedením do firmy definovat vaše potřeby a procesy, které chcete automatizovat.