Die Ferndatenerfassung und -überwachung als Hauptfunktion des SCADA-Systems und des DCS, der SPS, ist dasselbe wie die industrielle Prozessautomatisierung und Informationisierung des unverzichtbaren Basissystems.
SCADA-System
SCADA ist die Abkürzung für SupervisoryControl And Data AcquiSition System (Data Acquisition and Supervisory Control System). SCADA-System ist die Verteilung von über große Entfernungen verteilten, dezentralen Produktionseinheiten des Produktionssystems eines Datenerfassungs-, Überwachungs- und Steuerungssystems.
Es verfügt über ein breites Anwendungsspektrum und kann in den Bereichen Strom, Metallurgie, Erdöl, Chemie und anderen Bereichen der Datenerfassung und -überwachung, -steuerung und -prozesssteuerung sowie in vielen anderen Bereichen eingesetzt werden. Es wird im Energiesystem häufiger eingesetzt und die Technologieentwicklung ist auch am ausgereiftesten. Es nimmt eine wichtige Position im Fernwirksystem ein und kann die Betriebsausrüstung vor Ort überwachen und steuern, um die Funktionen Datenerfassung, Gerätesteuerung, Messung, Parameteranpassung und verschiedene Arten von Signalalarmen zu realisieren, d. h. das, was wir als „Vier-{4}Fernbedienungsfunktion“ kennen.
RTU (Remote Terminal Unit) und FTU (Feeder Terminal Unit) sind seine wichtigen Komponenten. In der heutigen Automatisierung von Umspannwerken spielt der Bau eine sehr wichtige Rolle. Es handelt sich um ein auf einem PC strukturiertes Steuerungssystem für die Produktionsautomatisierung. Natürlich sind die benötigten Funktionen für verschiedene Anwendungsbereiche unterschiedlich, aber alle verfügen über die folgenden Grundmerkmale: grafische Bedienoberfläche; dynamische Simulation des Systemstatus; sofortige und historische Datentrendkurvenanzeige; Alarmverarbeitungssystem; Datenerfassung und -aufzeichnung; Berichtsausgabe.
Entwicklungsgeschichte des SCADA-Systems
SCADA-Systeme sind seit ihrer Einführung in der Computertechnologie eng mit der Entwicklung von SCADA-Systemen verbunden und haben bis heute vier Generationen erlebt.
Die erste Generation basiert auf einem dedizierten Computer und einem dedizierten Betriebssystem-SCADA-System, wie z. B. dem Power Automation Research Institute für das North China Power Grid SD176-System, das von Hitachi in Japan für das chinesische Eisenbahnelektrifizierungssystem entwickelt wurde, das vom Remote-H-80M-System entworfen wurde. Diese Phase reicht vom Computer bis zum SCADA-System, als es in den 70er Jahren begann.
Die zweite Generation ist das SCADA-System, das in den 80er Jahren auf Allzweckcomputern basierte. In der zweiten Generation werden häufig andere Computer wie VAX und andere Allzweck-Workstations verwendet, und das Betriebssystem ist im Allgemeinen das Allzweck-UNIX-Betriebssystem. Zu diesem Zeitpunkt wurden SCADA-Systeme mit wirtschaftlicher Betriebsanalyse, automatischer Erzeugungssteuerung (AGC) und Netzwerkanalyse in der Netzdispatchautomatisierung zu EMS-Systemen (Energiemanagementsystemen) kombiniert.
Das gemeinsame Merkmal der SCADA-Systeme der ersten und zweiten Generation bestand darin, dass sie auf zentralisierten Computersystemen basierten und nicht offen waren, was die Wartung, Aktualisierung und Vernetzung mit anderen Systemen sehr erschwerte.
In den 90er Jahren wurde das EMS/SCADA-System der dritten Generation gemäß dem Prinzip der Offenheit basierend auf verteilten Computernetzwerken und relationaler Datenbanktechnologie umfassend vernetzt. In dieser Phase ist Chinas SCADA/EMS-System die am schnellsten wachsende Phase. Eine Vielzahl der neuesten Computertechnologien werden im SCADA/EMS-System zusammengeführt. Diese Phase ist auch der größte Investitionszeitraum für Chinas Stromsystemautomatisierung und Netzbau. Das Land investierte 270 Milliarden Yuan, um die städtischen und ländlichen Stromnetze umzugestalten. Dies zeigt, wie wichtig der Grad der Automatisierung des Stromnetzes und des Netzbaus des Landes ist.
Das Hauptmerkmal der vierten Generation des SCADA/EMS-Systems ist der Einsatz von Internet-Technologie, objekt{0}orientierter Technologie, neuronaler Netzwerktechnologie und JAVA-Technologie sowie anderen Technologien, die weitere Ausweitung der Integration von SCADA/EMS-Systemen und anderen Systemen, umfassende Sicherheit und wirtschaftlicher Betrieb sowie die Notwendigkeit eines kommerziellen Betriebs.
Das SCADA-System umfasst die folgenden Subsysteme:
1. Human Machine Interface (oder kurz HMI)
Ein Gerät, das den Status des Programms anzeigen kann, der Bediener kann das Programm entsprechend diesem Gerät überwachen und steuern, HMI wird mit der Datenbank und Software des SCADA-Systems verknüpft, liest die relevanten Informationen, um Trends, Diagnosedaten und zugehörige Verwaltungsinformationen anzuzeigen, wie z. B. regelmäßige Wartungsverfahren, Logistikinformationen, spezifische Sensoren oder Maschinendetailschaltpläne, oder kann bei der Fehlerbehebung des Expertensystems helfen.
HMI-Systeme stellen Anlageninformationen oft grafisch dar und simulieren die tatsächliche Anlage mit Bildern. Der Bediener kann ein Diagramm der zu steuernden Anlage sehen. Beispielsweise kann eine Verbindung zum Pipeline-Pumpe-Symbol anzeigen, dass die Pumpe läuft, und der Flüssigkeitsfluss in der Pipeline. Der Bediener kann die Pumpe stoppen, die HMI-Software zeigt den Flüssigkeitsfluss in der Pipeline im Zeitverlauf an. Die Simulation umfasst Schaltpläne und Schaltpläne zur Darstellung der Prozesselemente, kann aber auch Bilder der Prozessausrüstung in Verbindung mit Animationen zur Veranschaulichung der Prozesssituation verwenden.
Die HMI-Software eines SCADA-Systems umfasst im Allgemeinen Zeichensoftware, die es dem Systembetreuer ermöglicht, die Darstellung des Systems im HMI zu ändern. Die Präsentation kann so einfach sein, dass nur die Lichter auf dem Bildschirm den tatsächlichen Zustand der Situation anzeigen. Sie kann aber auch so komplex sein, wie die Verwendung mehrerer Projektoren, um alle Aufzüge am Standort eines Wolkenkratzers oder alle Züge am Standort der Eisenbahn anzuzeigen.
Bei der Implementierung eines SCADA-Systems ist die Handhabung von Warnungen ein wichtiger Teil des Systems. Das System überwacht, ob bestimmte Warnbedingungen erfüllt sind, um festzustellen, ob ein Warnereignis aufgetreten ist. Wenn ein Warnereignis vorliegt, ergreift das System entsprechende Maßnahmen, z. B. die Aktivierung einer oder mehrerer Warnanweisungen oder das Senden einer E-Mail oder SMS an den Systemadministrator oder SCADA-Betreiber, um über das Vorliegen eines Warnereignisses zu informieren. SCADA-Bediener müssen das Warnereignis bestätigen. Einige Warnereignisse werden bei der Bestätigung der Warnanweisungen ausgeschaltet und einige Warnanzeigen werden erst ausgeschaltet, nachdem die Warnbedingungen gelöscht wurden.
2. (Computergestütztes) Überwachungssystem
Es können Daten gesammelt und Befehle übermittelt werden, um den Fortschritt des Programms zu überwachen.
3. Remote Terminal Unit (RTU)
Die RTU kann mit vielen im Programm verwendeten Sensoren verbunden werden und die digitalen Daten werden nach der Datenerfassung an das Überwachungssystem übertragen.
Remote-Terminal-Control-Systeme (RTUs) können mit anderen Geräten verbunden werden und RTUs können elektrische Signale von Geräten in digitale Werte umwandeln, z. B. den Offen-/Geschlossen-Status eines Schalters oder Ventils oder den von einem Instrument gemessenen Druck, Durchfluss, Spannung oder Strom. Das Signal kann auch umgewandelt und übertragen werden, um das Gerät zu steuern, z. B. einen bestimmten Schalter oder ein bestimmtes Ventil zu öffnen/schließen oder die Geschwindigkeit einer Pumpe einzustellen.
4. Speicherprogrammierbare Steuerung (speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS)
Aufgrund seiner kostengünstigen, vielseitigen, aber auch häufig als Feldgeräte verwendeten Sonderfunktionen des Remote-Terminal-Steuerungssystems.
SCADA ist die Planungsverwaltungsschicht, SPS ist die Feldgeräteschicht. SPS-System, d. h. programmierbare Steuerung, geeignet für industrielle Feldmessung und -steuerung, Feldmess- und Steuerungsfunktionen, stabile Leistung, hohe Zuverlässigkeit, ausgereifte Technologie, weit verbreitet und preisgünstig. SCADA konzentriert sich auf die Überwachung und Steuerung und kann in Teillogikfunktionen implementiert werden, die im Wesentlichen für die obere Ebene verwendet werden. Die SPS dient lediglich der Realisierung der Logikfunktion und die SPS realisiert lediglich die Logikfunktion und -steuerung, stellt keine Mensch-Maschine-Schnittstelle bereit und realisiert den Betrieb mit Hilfe von Tastenanzeigen, HMI und SCADA-Systemen.
5. Kommunikationsnetzwerk
Ist die Bereitstellung eines Überwachungssystems und einer RTU (oder SPS) zwischen der Pipeline zur Datenübertragung.
Herkömmliche SCADA-Systeme nutzen Broadcast, Seriell oder Modem, um die Kommunikationsfunktion zu erreichen. Einige große SCADA-Systeme (wie Kraftwerke oder Eisenbahnen) verwenden häufig auch die Architektur im synchronen optischen Netzwerk (SONET) oder synchronen digitalen System (SDH) auf Ethernet- oder Netzwerkprotokollen. Die Fernverwaltungs- oder Überwachungsfunktion eines SCADA-Systems wird oft als Telemetrie bezeichnet.
Typische SCADA-Systemarchitektur
Die Entwicklung des SCADA-Systems hat drei Phasen durchlaufen: die Phase des zentralen SCADA-Systems, die Phase des verteilten SCADA-Systems und die Phase des vernetzten SCADA-Systems.
Bei einem zentralisierten SCADA-System hängen alle Überwachungsfunktionen von einem Host (Mainframe) ab und nutzen ein Weitverkehrsnetzwerk, um die Feld-RTU und den Host zu verbinden. Das Netzwerkprotokoll ist relativ einfach, weist eine geringe Offenheit und schwache Funktionalität auf.
Das vernetzte SCADA-System basiert auf verschiedenen Netzwerktechnologien mit einer stärker dezentralen Steuerungsstruktur und einem stärker zentralisierten Informationsmanagement. Das System basiert im Allgemeinen auf einer Client/Server-Struktur (C/S) und einer Browser-/Server-Struktur (B/S).
Im Vergleich zum SCADA-System der zweiten -Generation ist das SCADA-System der dritten -Generation offener in der Struktur, besser kompatibel und kann nahtlos in das umfassende Automatisierungssystem der gesamten Anlage integriert werden. Da die Größe eines SCADA-Systems von mehreren Hundert bis zu Zehntausenden Punkten reichen kann, sind die Anforderungen der Benutzer an ein SCADA-System vielfältig und stellen hohe Anforderungen an die Systemarchitektur.
Das SCADA-System gehört zu den typischen verteilten Computeranwendungssystemen. In einem solchen System ist die Architektur das Wichtigste im Softwaresystem. Eine gute Architektur bedeutet universell, effizient und stabil. Es kann effizient auf eine Vielzahl individueller Bedürfnisse eingehen. Gleichzeitig bleibt die Architektur über einen gewissen Zeitraum stabil. Wenn sich die Anforderungen ändern, kann der Programmierer auf eine Änderung der Architektur des Systems verzichten.
1. Client/Server-Architektur
C/S-Struktur der Client- und Serverkommunikation zwischen der „Anfrage --Antwort“-Methode. Der Client sendet eine Anfrage an den Server und der Server antwortet auf die Anfrage.
Das wichtigste Merkmal der C/S-Architektur ist, dass es sich nicht um eine Master-{0}}Slave-Umgebung handelt, sondern um eine gleichwertige Umgebung, d. h. die Computer in einem C/S-System können zu unterschiedlichen Gelegenheiten sowohl Clients als auch Server sein. Bei C/S-Anwendungen kümmert sich der Benutzer nur um die vollständige Lösung seiner eigenen Anwendungen und kümmert sich nicht darum, welche Anwendungen vom System auf dem oder den Computern abgeschlossen werden sollen.
Wenn beispielsweise in einem SCADA-System der SCADA-Server Daten von der SPS anfordert, ist er der Client, und wenn andere Bedienstationen Dienste vom SCADA-Server anfordern, ist er der Server. Offensichtlich kann diese Struktur die Vorteile der Hardwareumgebung auf beiden Seiten voll ausnutzen und Aufgaben sinnvoll auf die Client- und Serverseite verteilen, um sie zu realisieren, wodurch der Kommunikationsaufwand des Systems reduziert wird.
2. Browser-/Serverstruktur
Mit der Beliebtheit und Entwicklung des Internets können die bisherigen Host-/Terminal- und C/S-Strukturen die neuen Anforderungen des aktuellen globalen Netzwerks nicht mehr erfüllen. Offen, vernetzt, Informationen überall verfügbar und Informationsaustausch, so dass eine B/S-Struktur entsteht.
Die B/S-Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass der Benutzer über den Browser auf Text, Daten, Bilder, Animationen, Videos-on-auf Abruf und Toninformationen im Internet zugreifen kann. Diese Informationen werden von vielen Webservern generiert, und jeder Webserver kann auf verschiedene Weise mit Datenbankservern verbunden werden, wobei eine große Datenmenge tatsächlich auf dem Datenbankserver gespeichert wird. Der größte Vorteil dieser Struktur besteht darin, dass der Client mithilfe des Browsers vereinheitlicht wird, was nicht nur die Benutzerfreundlichkeit erleichtert, sondern auch dafür sorgt, dass der Client keine Wartungsprobleme hat.
3. Vergleich der beiden Strukturen
(1) die Vor- und Nachteile des B/S-Modells
Die Vorteile der B/S-Struktur zeigen sich in:
Durch verteilte Merkmale können Sie jederzeit und überall Abfragen, Durchsuchen und andere Geschäftsprozesse durchführen.
Die Geschäftserweiterung ist einfach und bequem. Durch das Hinzufügen von Webseiten kann die Funktion des Servers erhöht werden.
Die Wartung ist einfach und bequem. Sie müssen lediglich die Webseite ändern und die Aktualisierung aller Benutzer synchronisieren.
Einfache Entwicklung und starkes Teilen.
Die Nachteile der B/S-Struktur sind wie folgt:
Die personalisierten Funktionen sind offensichtlich reduziert und es ist unmöglich, die Anforderungen personalisierter Funktionen zu erfüllen.
Die Bedienung basiert auf der Maus als grundlegendster Betriebsart und kann die Anforderungen einer schnellen Bedienung nicht erfüllen.
Dynamische Seitenaktualisierung, Reaktionsgeschwindigkeit wird deutlich reduziert.
Die Funktionen sind geschwächt und es ist schwierig, die speziellen Funktionsanforderungen im herkömmlichen Modus zu erfüllen.
(2) Vor- und Nachteile des C/S-Modells
Die Vorteile der C/S-Struktur:
Da der Client eine direkte Verbindung mit dem Server herstellt, gibt es keine Zwischenverbindung, sodass die Antwortgeschwindigkeit schnell ist.
Die Bedienoberfläche ist schön, vielfältig und kann die individuellen Anforderungen des Kunden vollständig erfüllen.
Die C/S-Struktur des Managementinformationssystems verfügt über starke Transaktionsverarbeitungsfähigkeiten und kann komplexe Geschäftsprozesse realisieren.
Leistungsmängel der C / S-Struktur:
Da ein spezielles Client-Installationsprogramm erforderlich ist, ist die Verteilungsfunktion schwach, es gibt viele Punkte und es gibt keine Netzwerkbedingungen für die Benutzergruppe, sodass eine schnelle Installation und Konfiguration nicht realisiert werden kann.
Eine schlechte Kompatibilität verschiedener Entwicklungstools bringt größere Einschränkungen mit sich. Wenn Sie andere Tools verwenden, müssen Sie das Programm neu schreiben.
Höhere Entwicklungskosten, die ein gewisses Maß an professionellem technischem Personal erfordern.
Der Unterschied zwischen SCADA und DCS, PLC
Industrielle Steuerungssysteme umfassen eine Vielzahl von Arten von Steuerungssystemen. Bevor wir über verteilte Steuerungssysteme (DCS), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) sprachen, sind sie häufiger und leicht zu verwechseln mit Datenerfassungs- und Überwachungssystemen (SCADA). Was ist also der Unterschied zwischen SCADA, DCS und PLC?
DCS
Ein DCS-System oder Distributed Control System ist ein System, das hauptsächlich zur Steuerung von Produktionsprozessen in derselben geografischen Umgebung verwendet wird.
DCS-Systeme nutzen eine zentrale Überwachung und Steuerung, um lokale Controller bei der Ausführung des gesamten Produktionsprozesses zu koordinieren. Durch die Modularisierung des Produktionssystems reduziert DCS die Auswirkungen einzelner Ausfälle auf das Gesamtsystem. In vielen modernen Systemen sind DCS-Systeme mit Unternehmenssystemen verbunden, damit sich der Produktionsprozess im Gesamtbetrieb des Unternehmens widerspiegeln kann.
DCS-Systeme werden häufig in industriellen Kontrollbereichen wie Ölraffinerien, Abwasseraufbereitungsanlagen, Kraftwerken, Chemieanlagen und Pharmafabriken eingesetzt. Diese Systeme werden typischerweise für die Prozesssteuerung oder diskrete Steuerungssysteme verwendet.
SCADA
SCADA-Systeme oder Datenerfassungs- und Überwachungssysteme sind Kernsysteme der industriellen Steuerung, die hauptsächlich zur Steuerung dezentraler Anlagen eingesetzt werden, um eine zentrale Datenerfassung durchzuführen, die ebenso wichtig ist wie die Steuerung.
SCADA-Systeme integrieren Datenerfassungssysteme, Datenübertragungssysteme und HMI-Software, um eine zentrale Überwachung und Steuerung von Prozesseingängen und -ausgängen zu ermöglichen. SCADA-Systeme sind darauf ausgelegt, Informationen aus dem Feld zu sammeln, diese Informationen an ein Computersystem zu übertragen und diese Informationen in Bild- oder Textform anzuzeigen. Dadurch kann ein Bediener das gesamte System in Echtzeit von einem zentralen Standort aus überwachen und steuern, jedes der einzelnen Systeme entsprechend der Komplexität und relevanten Einstellungen jedes Systems steuern und relevante Vorgänge oder Aufgaben automatisieren, die auch automatisch durch Bedienerbefehle ausgeführt werden können.
SCADA-Systeme werden hauptsächlich in verteilten Systemen wie Wasseraufbereitung, Öl- und Gaspipelines, Stromübertragungs- und -verteilungssystemen, Eisenbahnen und anderen öffentlichen Verkehrssystemen eingesetzt.
SPS
SPS-System, d. h. speicherprogrammierbare Steuerung SPS ist eine neue Generation industrieller Steuerungsgeräte, die auf der Einführung von Mikroelektroniktechnologie, Computertechnologie, automatischer Steuerungstechnologie und Kommunikationstechnologie in die traditionellen Sequenzsteuerungen mit dem Ziel basiert, die Sequenzsteuerungsfunktionen wie Relais, Ausführungslogik, Zeitmessung, Zählung usw. zu ersetzen und flexible programmierte Steuerungssysteme zu etablieren. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat die Bestimmungen der SPS erlassen: Eine programmierbare Steuerung ist eine digitale Rechenoperation des elektronischen Systems, die für den Einsatz in industriellen Umgebungen konzipiert ist. Es verwendet einen programmierbaren Speicher, der zum Speichern von Anweisungen zur Durchführung logischer Operationen, zur sequentiellen Steuerung, zur Zeitsteuerung, zum Zählen und für arithmetische Operationen sowie zur Steuerung verschiedener Arten von Maschinen oder Produktionsprozessen über digitale und analoge Ein- und Ausgänge dient. Die programmierbare Steuerung und die zugehörige Ausrüstung sollten sich leicht mit dem industriellen Steuerungssystem verbinden lassen und ihre Funktionalität entsprechend dem Designprinzip leicht erweitern können.
In der Netzwerkarchitektur industrieller Automatisierungs- und Steuerungssysteme wird SPS als wichtige Steuerungskomponente normalerweise in SCADA- und DCS-Systemen verwendet, um eine spezifische Betriebs- und Prozesssteuerung von Industrieanlagen zu realisieren und ein lokales Prozessmanagement durch Schleifensteuerung bereitzustellen.
In SCADA-Systemen fungiert die SPS als RTU (dh Remote Terminal Unit). Beim Einsatz in DCS-Systemen werden SPS als lokale Steuerungen mit einem übergeordneten Steuerungsprogramm verwendet. Gleichzeitig werden SPSen häufig als wichtige Komponenten zur Konfiguration kleinerer Steuerungssysteme eingesetzt.
SPS verfügen über vom Benutzer-programmierbare Speicher zum Speichern von Anweisungen zur Erzielung spezifischer Funktionen wie E/A-Steuerung, Logik, Zeitsteuerung, Zählung, PID-Steuerung, Kommunikation, Arithmetik, Daten- und Dateiverarbeitung. Mit der Entwicklung der Kommunikationstechnologie hat die SPS auch von geschlossenen privaten Kommunikationsprotokollen zur Verwendung offener öffentlicher Protokolle übergegangen, was die Kompatibilität des Systems erheblich verbessert und die Wartung und Aktualisierung des Systems erleichtert.
Abschluss
Aus dem oben Gesagten ist leicht zu erkennen: SCADA, DCS sind ein Konzept und SPS ist ein Produkt, die drei sind nicht vergleichbar:
1. SPS ist ein Produkt, das SCADA und DCS darstellen kann.
2, DCS ist eine entwickelte Prozesssteuerung, PLC ist ein entwickeltes Relais--Logiksteuerungssystem;
3, SPS ist ein Gerät, DCS, SCADA ist das System.
Im engeren Sinne wird DCS hauptsächlich für die Prozessautomatisierung verwendet, SPS wird hauptsächlich für die Fabrikautomatisierung (Produktionslinie) verwendet, SCADA wird hauptsächlich für großflächige Anforderungen wie Ölfelder oder Tausende von Kilometern Pipelines verwendet. Wenn sie aus Sicht des Computers und des Netzwerks einheitlich sind, besteht der Grund dafür, dass es vor allem in den Anwendungsanforderungen Unterschiede gibt, DCS erfordern häufig erweiterte Steuerungsalgorithmen. Beispielsweise in der Ölraffinerieindustrie erfordert SPS eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, da sie häufig in ineinandergreifenden und sogar ausfallsicheren Systemen verwendet wird. SCADA stellt auch einige besondere Anforderungen, wie z. B. Vibrationsüberwachung, Durchflussberechnung, Spitzen- und Tiefpunktregelung usw.
Daher kann auch einfach überlegt werden:
SCADA ist das Terminmanagement
DCS ist die Ebene des Anlagenmanagements
SPS ist die Feldgeräteschicht
Das SCADA-System hat eine lange Geschichte, befindet sich jedoch immer noch in der rasanten Entwicklung der „neuen“ Dinge, mit einem komplexen System, offenen Schnittstellenstandards und Internet-Netzwerk-Integrationstiefen und anderen Merkmalen, der Notwendigkeit, Produktion, Wissenschaft, Forschung und Nutzung aller Aspekte der Informationssicherheitstheorie und -technologie des SCADA-Systems zu integrieren, um inländische SCADA-Systemhersteller zu ermutigen, Technologie zu akkumulieren und zu innovieren, und das Forschungs- und Entwicklungsteam für SCADA-Systemtechnologie zu kultivieren, um die Welt zu erreichen Ebene und fördern schrittweise den Einsatz lokalisierter SCADA-Systeme mit unabhängigen Rechten an geistigem Eigentum, um ausländische Systeme in Schlüsselindustrien zu ersetzen.