Datenerfassungs- und Betriebsleitsysteme (SCADA-Systeme)

Der Begriff Supervisory Control and Data Acquisition System oder SCADA-System tauchte Ende der 1980er Jahre auf. 20. Jahrhundert. Gleichzeitig mit den ersten Versuchen, Personalcomputer mit darauf installierten grafischen Anwendungen als Bedienkonsolen zu nutzen.

Die ersten SCADA-Systeme wurden für DOS- oder Unix-Betriebssysteme entwickelt und verfügten über eher bescheidene Fähigkeiten, sowohl aufgrund der Hardware-Einschränkungen der Hardware als auch der grafischen Fähigkeiten der Betriebssysteme. SCADA-Systeme verbreiteten sich gleichzeitig mit dem Aufkommen grafischer Schnittstellen wie Windows 3.11, X-Windows, Phantom und Hardware, die es Ihnen ermöglicht, die erforderliche Geschwindigkeit bei der Ausführung von Prozessen im Multitasking-Modus zu erreichen.

Der Grund für die Entstehung von SCADA-Systemen als erstklassige Softwareentwicklungstools ähnelt den Gründen für die Entstehung von Systemen wie Borland Delphi und anderen visuellen Programmiersystemen.Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Softwareentwickler von der routinemäßigen und eigentlich unnötigen Last der Beschreibung von Standardschnittstellen und -funktionen zu entlasten. Gleichzeitig ist zu beachten, dass der Einsatz von SCADA-Systemen keine Reduzierung der Anforderungen an die Qualifikation des Entwicklers bedeutet, wie man sich das vorzustellen versucht.

Unterscheiden Sie die Systeme MMI (Mensch-Maschine-Schnittstelle) Und SCADA, da sich beide unabhängig voneinander erfolgreich entwickelten und unterschiedliche Nischen im Gerätemarkt besetzten HMI (Human Machine Interface).

MMI-Systeme sind eigentlich lokale Bedienfelder für einzelne Geräte oder technologische Anlagen, die mit alphanumerischen Bildschirmen und Tastaturen oder grafischen, meist Touchscreens, ausgestattet sind.

In den meisten Fällen wird das MMI-Gerät über einen speziellen Controller implementiert und sein Softwareteil erfordert keine zusätzlichen Modifikationen oder Änderungen.

Gleichzeitig umfassen SCADA-Systeme die Verwendung von Standard-PCs und Betriebssystemen, dienen der Automatisierung der Verwaltung großer technologischer Prozesse, an denen eine große Anzahl von ausführenden Geräten und technologischen Einheiten beteiligt ist, und unterstützen auch die Möglichkeit von Implementierung verteilter Anwendungen (mit mehreren Bedienkonsolen) …

Es ist unmöglich, eine klare Grenze zwischen MMI- und SCADA-Systemen zu ziehen, da es End-to-End-Programmiersysteme gibt, in denen häufig keine Unterscheidung zwischen Softwareentwicklungstools für verschiedene Ebenen des Steuerungssystems erfolgt.

Das Fehlen eines einzigen Standards, der den Zweck und die funktionale Zusammensetzung von SCADA-Systemen beschreibt, sowie die unterschiedliche Interpretation des Begriffs „SCADA“ selbst erschweren die Klassifizierung und den Vergleich von Systemen dieser Klasse.

Folgende Hauptgruppen von SCADA-Systemen lassen sich unterscheiden:

• Von Steuerungsherstellern entwickelte SCADA-Systeme;

• Von unabhängigen Herstellern entwickelte SCADA-Systeme;

• SCADA-Systeme sind Bestandteile von End-to-End-Programmiersystemen.

Die Aufgabe des Herstellers von Steuerungsgeräten bei der Entwicklung seines eigenen SCADA-Systems besteht darin, dem Endbenutzer ein Werkzeug zur Entwicklung von Visualisierungsanwendungen unter Verwendung von Steuerungen dieses Herstellers zur Verfügung zu stellen.

Folgende Hauptmerkmale solcher Systeme lassen sich unterscheiden:

• die Schnittstelle dieser Systeme wiederholt die Schnittstelle von Mitteln zum Schreiben von Software für die Steuerungsausrüstung;

• Die Komponenten des SCADA-Systems sind für die Arbeit mit Daten optimiert, die von Steuergeräten eines bestimmten Herstellers empfangen werden.

• Schnittstellen zum Datenaustausch mit Geräten anderer Hersteller sind schlecht implementiert oder schwer zu nutzen.

Ein klassisches Beispiel für ein solches System ist Siemens WinCC… Der Einsatz solcher proprietärer Systeme minimiert einerseits den Aufwand für die Ausbildung von Softwareentwicklungsspezialisten, bindet andererseits aber sowohl den Entwickler als auch den Endnutzer des Systems strikt an einen bestimmten Hersteller oder sogar an einen bestimmten Gerätelinie von einem Hersteller.

Darüber hinaus waren einige Steuergerätehersteller gezwungen, zu Marketingzwecken eigene SCADA-Systeme zu entwickeln, ohne ihre Softwareprodukte mit dem erforderlichen Maß an Support und Wartung zu versorgen.

SCADA-Systeme von Drittanbietern sind die flexibelsten Werkzeuge zur Erstellung von Prozessvisualisierungs- und Steuerungsanwendungen. Zu ihren Vorteilen zählen die Unterstützung einer Vielzahl von Funktionen zum Aufbau dezentraler und verteilter Steuerungssysteme sowie die Möglichkeit, Geräte unterschiedlicher, auch konkurrierender Hersteller in ein System zu integrieren.

Um Daten mit ausführenden Geräten auszutauschen, verwenden solche Systeme Software-I/O-Server, die DDE- oder OPC-Schnittstellen implementieren. Die Verbreitung solcher SCADA-Systeme sowie die Notwendigkeit, Standards für Automatisierungstools einzuhalten, führten dazu, dass alle Entwickler von Steuerungsgeräten über eigene verfügen OPC- oder DDE-Softwareserver, die komplett mit Ausrüstung oder auf Bestellung geliefert werden.

Da das End-to-End-Programmiersystem die Entwicklung von Bedienstationen als integralen Bestandteil des Leitsystems umfasst, enthält es immer separate Komponenten des SCADA-Systems. Da das gesamte System jedoch als Ganzes funktioniert, können diese Komponenten auch Bestandteile anderer Module des End-to-End-Programmiersystems sein oder es kann unmöglich sein, das SCADA-System in seiner reinen Form in ein Softwareprodukt zu trennen.

Solche Systeme haben die gleichen Vor- und Nachteile wie von Steuerungsherstellern entwickelte SCADA-Systeme, wobei zwei Hauptunterschiede zu berücksichtigen sind:

• SCADA-Systeme, die integraler Bestandteil von End-to-End-Programmiersystemen sind, weisen praktisch keine Interoperabilität mit Soft- und Hardware anderer Hersteller auf;

• Die Rolle des SCADA-Systems in solchen Anwendungen beschränkt sich auf die Entwicklung einer grafischen Oberfläche.

Aufbau und Struktur von SCADA-Systemen

Aufbau und Struktur von SCADA-Systemen

Typischerweise bestehen SCADA-Systeme aus zwei separaten Sätzen von Softwareprodukten: einer Entwicklungsumgebung und einer Ausführungsumgebung.

Entwicklungsumgebung wird die Menge genannt, mit der die Umgebung zur Visualisierung des technologischen Prozesses entworfen und konfiguriert wird.

Umgebung während der Arbeit — Dies ist eine Reihe von Softwareprodukten, die für die Arbeit am Projekt des Programms zur Visualisierung des technologischen Prozesses in der Bedienstation erforderlich sind.

Separat sollte die Frage der Interaktion zwischen der Entwicklungsumgebung und der Laufzeitumgebung bei der Arbeit mit demselben Projekt des Entwicklers und des Betreibers betrachtet werden:

1. Vom Entwickler vorgenommene Änderungen werden sofort wirksam.

2. Die Laufzeit spiegelt die vorgenommenen Änderungen wider, wie sie im Quellcode des Projekts zu finden sind.

3. Änderungen werden zur Laufzeit beim Neustart oder Erzwingen berücksichtigt.

Die Implementierung der ersten Interaktionsart ermöglicht es, die Fähigkeiten des Produkts in kommerziellen Präsentationen recht klar und effektiv zu demonstrieren und wird daher manchmal in den endgültigen Softwareprodukten implementiert. Bei der Arbeit mit realen Projekten besteht jedoch die potenzielle Gefahr, dass Teile der grafischen Oberfläche fehlen oder Steuerelemente dynamisch verschoben werden. Dabei sind die zweite und dritte Interaktionsart bzw. deren Kombination am weitesten verbreitet.

Folgende Hauptbestandteile des SCADA-Systems lassen sich unterscheiden:

• Tag-Basis;

• Grafikanzeigemodul;

• Skriptprozessor;

• Alarm- und Warnsystem;

• Modul zur Archivierung technologischer Prozessparameter.

SCADA-System-Tag Ist ein Objekt zur Speicherung des Wertes eines technologischen Prozessparameters und seiner Eigenschaften. Beschriftungen werden manchmal fälschlicherweise als „Variablen“ bezeichnet. Gleichzeitig kommt das Konzept eines Labels der Definition einer Klasse in objektorientierten Programmiersprachen am nächsten.

Das grafische Anzeigemodul implementiert die grafische Oberfläche des Projekts. In der Regel handelt es sich bei einer grafischen Oberfläche um eine Reihe von Masken mit darauf platzierten grafischen Elementen. Die Aufgabe beim Erstellen eines Bildschirms besteht darin, grafische Elemente auf Bildschirmformen zu platzieren und ihre Eigenschaften festzulegen.

Beim Aufrufen, Anzeigen und Schließen von Masken, beim Klicken auf grafische Objekte, beim Ändern von Eigenschaften oder Werten einzelner Tags ist es erforderlich, Berechnungen oder Aktionen durchzuführen, für die es solche gibt Skript-Engine… Skripte werden in manchen Systemen auch „Makros“ oder „Skripte“ genannt.

Die meisten SCADA-Systemskripte, die die grafische Oberfläche automatisierter Bedienerarbeitsplätze implementieren, sind Mausklick-Handler für grafische Elemente.

Für Skripte bieten SCADA-Systeme verschiedener Hersteller eine oder mehrere Sprachen an. Systeme, die von Steuerungsherstellern oder als Teil von End-to-End-Programmiersystemen entwickelt wurden, bieten in der Regel die gleichen Programmiersprachen für die Skripterstellung wie für das Schreiben an Controller-Software… SCADA-Systeme von Drittanbietern bieten oft spezielle Makro-Skriptsprachen an.

Durch die Verwendung allgemeiner Programmiersprachen können Sie komplexe Benutzeroberflächen und nicht standardmäßige Methoden zum Arbeiten mit Daten implementieren, indem Sie auf zusätzliche Bibliotheken und APIs zugreifen.

Gleichzeitig muss der Entwickler auf jeden Fall Funktionsbibliotheken für die Arbeit mit SCADA-Systemkomponenten genauso studieren, wie Makrosprachen studiert werden, und der implementierte Code kann potenziell gefährlich sein oder Fehler von Funktionen Dritter erben Bibliotheken.

Alarmsystem soll den Betreiber darüber informieren, dass der Wert des Prozessparameters außerhalb der zulässigen Grenzen liegt. In der Regel können für jeden technologischen Parameter zwei Arten von Einstellungen festgelegt werden, nach denen die Benachrichtigung angezeigt wird: Notfall- und Warneinstellungen.

Abhängig von den Fähigkeiten des Systems werden diese Einstellungen nach einem oder mehreren Kriterien festgelegt:

• Außer Reichweite. In diesem Fall gibt es: obere und untere Warnwerte sowie obere und untere Alarmwerte.

• Eine Abweichung vom Nominalwert eines bestimmten Wertes. Verteilen Sie die minimal und maximal zulässigen Abweichungen vom eingestellten Wert.

• Festlegen der maximal zulässigen Änderungsrate des Prozessparameterwerts. Werte der zulässigen Bereichseinstellungen werden in absoluten Einheiten angegeben, und die Abweichung vom Nennwert und die Änderungsrate können sowohl in absoluten Einheiten als auch als Prozentsatz des aktuellen oder Sollwerts angegeben werden.

Aufgrund der Tatsache, dass für einen technologischen Prozess die Anzahl der Parameter, für die Notfall- und Warnsollwerte festgelegt werden, groß sein kann, ist es in SCADA-Systemen möglich, die technologisch gesteuerten Parameter in Gruppen zusammenzufassen und für jeden die Prioritätsstufe festzulegen Sollwert.

Die Hauptaufgabe Backup-Modul — Bereitstellung der Möglichkeit, Diagramme technologischer Parameter (Trends) für einen relativ kurzen Zeitraum auf dem Bildschirm anzuzeigen und einfache Berichte zu erstellen. Das Modul zur Archivierung der Werte des SCADA-Systems sollte die folgenden Funktionen bereitstellen:

• Archivieren von Werten in einer lokalen Datenbank mit einer bestimmten Häufigkeit oder Änderung;

• beim Archivieren von Werten bei Änderung – Möglichkeit, eine Totzone für die Archivierung festzulegen;

• Legen Sie eine lokale Datenbankgrößenbeschränkung fest.

• Einstellen der Zeit zum Speichern von Werten;

• Führen Sie routinemäßige Wartungsarbeiten durch, um veraltete oder früheste Werte zu entfernen, wenn die Speicherzeit oder die Datenbankgröße im automatischen Modus überschritten wird.

• Verfügbarkeit einer Schnittstelle zum Erstellen von Diagrammen von Archivwerten und deren Anzeige;

• Verfügbarkeit eines Systems zum Exportieren von Parameterwerten für den angegebenen Zeitraum in Form einer Wertetabelle.