SCADA is een acroniem voor: “Supervisory Control And Data Acquisition”, het verzamelen, doorsturen, verwerken en visualiseren van meet- en regelsignalen van verschillende machines in grote industriële systemen. (Soms ook al eens onterecht distributed control systems (DCS) genoemd.)
 Figuur 1: Scada binnen het hiërarchisch model |
Een SCADA systeem bestaat uit een computer met daar op de SCADA software. Een SCADA systeem vergemakkelijkt het uitwisselen van meetgegevens, het zichtbaar maken van gegevens voor de menselijke operator (visualisatie), het beïnvloeden van deze systemen (sturing), en het verwerken van de meetgegevens tot rapporten (gegevensverwerking) of alarmering.
Zoals eerder vermeld staat SCADA voor Supervisory Control And Data Acquisition. Uit de naam blijkt al dat een dergelijk systeem twee componenten bevat, n.l. gegevensverwerking (Data Acquisition) en besturing op het niveau van de operator of 'supervisor' (Supervisory Control). Het eerste deel van het systeem is vrij duidelijk. Het gaat hier om het verzamelen en opslaan van (productie) gegevens.
Hoewel ontstaan in het toepassingsgebied van de continue productieprocessen vinden de SCADA-systemen tegenwoordig hun toepassing zowel bij discrete als bij continue productie. Het ligt wat lastiger bij het interpreteren van het tweede deel van de term SCADA, n.l. de 'supervisory control'. Dit begrip heeft meerdere inhouden, aangezien 'control', zowel beheersen als besturen als regelen kan betekenen. We treffen SCADA- systemen aan in alle drie deze betekenissen. Bij het beheersen wordt meer gedacht aan het meten van procesgrootheden, deze transporteren naar een centraal punt (regelkamer) alwaar deze door menselijk ingrijpen bestuurd worden (door b.v. klep-instellingen te veranderen). De systemen die hier geschikt voor zijn werden vroeger ook wel Telemetrie systemen genoemd. Bij regelen denken we meer aan de klassieke regeltheorie, waarbij het er om gaat, dat het systeem tracht de eenmaal ingestelde procesgrootheden op bepaalde niveaus te handhaven (bij een terugloop in temperatuur wordt b.v. de klep van de brandstoftoevoer iets meer opengedraaid).
De toepassing hiervan ligt voornamelijk bij de continue processen, maar komt ook wel bij discrete productie voor.
Als er sprake is van lokale productieprocessen, dan wordt meestal volstaan met het inzetten van een PLC voor de regeling. Gaat het niet meer om lokale processen dan worden ook de zogenaamde Distributed Control Systems (DCS) gebruikt. Een belangrijk kenmerk van een Distributed Control System is, dat deze meestal duur is.
De nieuw ontwikkelde SCADA-systemen kunnen vaak het grootste deel van de taak van DCS op zich nemen en zijn relatief goedkoper.
Taken SCADA-systemen
Naar aanleiding van het voorgaande en de overige toepassingen in de praktijk kunnen we voor SCADA-systemen de volgende taken formuleren:
- grafische presentaties
- PLC-aansturing
- gegevensopslag en rapportage
- alarmsupervisie
- uitvoeren van berekeningen
Wat betreft de grafische presentaties; op het niveau van de operator beschikt men graag over een proces monitor systeem, die een goed overzicht geeft over een relevant deel van het productieproces. Vaak gebeurt dit door processchema's op een beeldscherm weer te geven, waarbij ook de punten staan aangegeven, waar menselijk ingrijpen in het proces mogelijk is (regelkleppen etc.) Om het de opera¬tor te vereenvoudigen om de consequenties van ingrijpen te kunnen overzien kennen de meeste systemen ook een soort simulatietoestand waarbij de gevolgen van eventuele beslissingen op het scherm zichtbaar gemaakt worden.
De grafische capaciteiten van het systeem tezamen met de interactie met de operator wordt vaak aangeduid als de Man Machine Interface (MMI), een belangrijk onderdeel van een SCADA-systeem. Om de besturingsactie door te kunnen geven aan de PLC's beschikken de meeste SCADA-systemen over een aantal PLC-drivers. Aangezien de communicatie met de PLC's vaak verloopt via een netwerk zullen deze drivers de daar meest toegepaste datacommunicatie protocollen moeten ondersteunen. Verder moeten synchronisatieproblemen opgelost worden aangezien meerdere PLC's gelijktijdig actief zijn. Veel SCADA-systemen zullen al of niet op verzoek rapporteren over de verzamelde procesgegevens om de operator een indruk te geven over het verloop van het productieproces. Hiervoor wordt meestal een database-achtig bestand gebruikt met goede real-time eigenschappen. De rekenfuncties worden zowel gebruikt om de gegevens in de juiste grootheden te kunnen presenteren als om de processen te kunnen regelen. Dat hierbij ook alarmsituaties gesignaleerd kunnen worden spreekt bijna voor zich.
SCADA-configuraties
Een SCADA-pakket kan in meerdere configuraties draaien. Echter het ene pakket is meer geschikt voor de ene configuratie, een ander meer voor de andere.
Een aantal verschillende configuratiemogelijkheden zijn hieronder opgesomd.
- PLC met speciale kaart met SCADA software. Deze is geschikt voor het aansturen van een beeldscherm. O.a. Siemens PLC's hebben deze mogelijkheden. Het is een toepassing, die met name geschikt is voor kleinere systemen. .
- Eén PC met SCADA softwarepakket. De PC is met een kabel (vaak wordt daar een seriële poort van de PC voor gebruikt) met de PLC verbonden. Het beeldscherm met de grafische procesweergave zal zich dicht in de buurt van de PC moeten bevinden. De meeste bekende SCADA-pakketten, zoals Factory Link, IFix en Genesis zijn geschikt hiervoor. .
- PC met uitgebreid SCADA softwarepakket, b.v. EC3X van AFE. Hier is sprake van een multi-user-omgeving, waarin meerdere beeldschermen op grotere afstanden aangestuurd kunnen worden. De PC is met de PLC verbonden.
- Minicomputer met SCADA-pakket. Niet veel anders dan de vorige configuratie, dus ook multi-user maar nu ook multi-tasking. Er kunnen nu grotere pakketten gebruikt worden zoals b.v. Dexterity
Opbouw SCADA-systeem
Een SCADA systeem kan bestaan uit een uitgebreid netwerk van besturingseenheden,
PLC's en computers voor visualisatie en het opslaan van gegevens.
 Figuur 2: Een uitgebreid Scada systeem |
De meeste SCADA-systemen zijn opgebouwd rond een real-time database, die voor de centrale gegevensregistratie dient. Het gaat hier niet om een database in de zin van relationele of netwerkstructuren, maar meer om een snel te benaderen grote gegevensverzameling.
Een voorbeeld van een schematische opbouw van een modern SCADA-systeem is gegeven in figuur 3. In deze figuur wordt de hoofdstructuur van het programma IFIX in de vorm van een blokdiagram aangegeven.
Het betreft een mogelijke opbouw van een van een SCADA-configuratie. De manier waarop processen aangestuurd of gevisualiseerd worden is vaak in sterke mate afhankelijk van de gebruiker. Deze bepaalt vaak middels zijn eigen standaard hoe hij een bepaald proces in beeld gebracht wil hebben. Hieronder volgt een verklaring van de elementen.
Zoals altijd is het SCADA pakket gekoppeld aan een PLC. In dit geval betreft het een koppeling met een Siemens S7 PLC. De koppeling met SCADA kan overigens op vele punten fout gaan. Zodra de data op de goede manier ingelezen wordt is het bij de meeste pakketten een kwestie van de goede scripts, data en knoppen aanroepen en visualiseren in de applicatie.
SL4 driver
Dit is de eerste schakel die ingesteld moet worden aan de SCADA-zijde. In dit blok wordt aangegeven wat de grootte van de gebruikte databases is en welke data adressen gebruikt worden. Zodra de SL4 driver opgestart is kunnen een aantal zaken ingesteld worden.
De volgende instellingen kunnen verricht worden:
- Aantal kanalen, dit bepaalt de hoeveelheid uit te lezen data adressen (ethernet).
- Aantal devices, dit bepaalt het aantal aangesloten PLC’s
- Aantal DB’s, dit bepaalt het aantal datablokken welke ingelezen moeten worden uit de geselecteerde PLC (device).
Nadat een aantal blokken geselecteerd en toegevoegd zijn kan verder worden gegaan met het opzetten van de verbinding. De stappen die nu doorlopen moeten worden zijn het selecteren van een kanaal, het instellen van het device (PLC) en het instellen van de datablokken. Dit is heel belangrijk aangezien hier de waarde komend uit het proces teruggehaald moet worden. De grootste fout welke gemaakt kan worden is het verkeerd instellen van de datagrootte van een desbetreffend DB. Per datablock moet een start- en eindadres gespecificeerd worden. In de praktijk worden hiermee vaak de meeste fouten gemaakt. Ook de naamgeving is vaak kritisch, omdat datablokken binnen SCADA meestal dezelfde namen moeten hebben als binnen de PLC.
Zodra alle DB’s, PLC’s en kanalen ingesteld zijn, moet gecontroleerd worden of de setup goed staat. Een veel voorkomende fout is dat de SL4 driver ingesteld staat op de simulatiemodus. Dit zorgt ervoor dat er geen communicatie naar buiten mogelijk is.
Zodra deze instelling goed staan kan er gekeken worden naar de datastroom, om te controleren of er überhaupt data uit het proces komt. Voorwaarde is wel dat de PLC in een “RUN-toestand” staat.
Database
De real-time database wordt hier in sommige gevallen ook configuratiebestand genoemd.
In dit bestand komen de volgende zaken voor:
- Grafische pagina's
- Vrij programmeerbare dynamische schermen, hierop zal meestal een deel van het productieproces worden weergegeven t.b.v. de operator.
- Rapportage pagina's
- Dynamische tekstpagina's, die op gezette tijden naar een printer gestuurd worden.
- Communicatieblokken: nodig voor de communicatie met de PLC's.
- Registers; om de inhouden van PLC-registers of applicatieprogrammavariabelen vast te leggen in verband met snellere toegankelijkheid.
- Schedule blokken: nodig om bepaalde acties op bepaalde tijden te kunnen starten.
- Historische trends: nodig om de historische gegevens te kunnen bewerken (zichtbaar te maken in de vorm van grafieken en vastleggen op achtergrondgeheugen).
- De andere gebruikersprogramma's.
Database manager
Met behulp van de Database Manager kan een lijst samengesteld worden met variabele welke men wil gaan beïnvloeden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen analoge en digitale in- / out-put gegevens. Dit zijn de meest voorkomende datatyperingen die nodig zijn om te communiceren met de PLC. Daarnaast kunnen andere gegevens gebruikt worden, zoals: registers, tijdblokken enz.
De variabelen dienen m.b.t. de datalocatie ingesteld te worden. Dit is cruciaal voor de communicatie.
Expression builder
Op een gegeven moment is het zover, de data inclusief waarden beschikbaar zijn in het geheugen van de database manager. Maar de waarde kan nog niet beïnvloed worden door SCADA. Alvorens dit mogelijk is moet er een tekening (picture) gemaakt worden met knoppen en waarden welke veranderd dienen te worden. Het maken van zo’n tekening gaat als bij standaard tekenprogramma’s. De essentie ligt met name op het aan elkaar knopen van acties en waarden aan knoppen, datalinks en flowbars.
Hiertoe is meestal een bibliotheek van standaard grafische componenten beschikbaar, zoals kleppen, tanks, pijpen, motoren, roereenheden, pompen etc. De toestand van een dergelijk element wordt gesymboliseerd door grafische manipulaties zoals roteren (roereenheid), opvullen met een kleur (pijpen en tanks), kleurverandering (om verwarming aan te geven) enz. Om dit goed te doen zijn weer tal van handelingen nodig, die gelukkig in simulatie-modus gecontroleerd kunnen worden.
Het visualiseren van processen
Voor het visualiseren van processen, voorzover niet geïntegreerd in het SCADA-pakket, zijn diverse programma's in de handel, bijvoorbeeld: Protool en WinCC. Met behulp van deze programma’s is het mogelijk om een applicatie te maken die op het te visualiseren proces is toegesneden. Dit programma geeft de meetwaarden realtime weer. Er kan eenvoudig een print-out van de gegevens worden gemaakt, of de gegevens worden opgeslagen in een database.
Het is mogelijk aan te geven waar zich een storing bevindt, zodat de technische dienst de storing sneller kan oplossen.
De meest succesvolle applicaties zijn die, welke van tevoren goed gepland en omschreven zijn. Professionele ontwikkelaars besteden meer dan 50 % van de tijd aan planning van het project. Door een goede voorbereiding en planning heb je veel minder tijd nodig voor het testen en in bedrijfstellen van de applicatie. Slecht voorbereide projecten vergen vaak twee tot drie keer zoveel tijd.
Bedrijfszekerheid en redundancy.
Door de uitgebreide mogelijkheden voor besturing en controle van processen die moderne SCADA-systemen bieden, worden deze wereldwijd toegepast. Alle succesvolle systemen leveren een hoog niveau van controle en visualisatie faciliteiten.
Een goed ontworpen systeem verhoogt dan ook de beheersbaarheid en de efficiëntie en daardoor de winst.
De ontwerpers van dit soort systemen moeten echter ook rekening houden met de vraag, "Wat gebeurt er als het systeem faalt?".
In systemen waar gebruik wordt gemaakt van één server zal het productieproces vastlopen als er een storing in de server of in het netwerk ontstaat. Bij kritische of dure productie processen is dit niet wenselijk.
Redundancy, ofwel het dubbel uitvoeren van diverse systeemonderdelen is hier noodzakelijk. Redundancy is duur, er staan normaal gesproken hele systemen werkloos. Daarom is het van belang goed te overwegen tot hoever men wil gaan.