SCADA: Bezpieczny nadzór procesu produkcyjnego

W świecie automatyki przemysłowej istnieje multum problemów którymi zmagają się przedsiębiorstwa produkcyjne, jednym z nich są liczne odpady. Pojęcie to zna każda osoba prosperująca wokół systemu zarządzania „Odchudzonej produkcji”, a mowa oczywiście o 7 marnotrawstw, ponieważ składa się z 7 kategorii odpadów: Nadprodukcji produktów, Zapasy, Transport, Braki, Zbędne przetwarzanie, Zbędny ruch, Oczekiwanie. Systemy Łącznościowe i Operatorskie czyli nic innego jak System SCADA wykorzystujący biegle PLC i HMI na swoich maszynach przemysłowych, to mocne systemy informatyczne nadzorujący przebieg systemu technologicznego i produkcyjnego. Ich zastosowanie jest szeroko znane w branży produkcyjnej, dlatego integracja technologii za pośrednictwem SCADA znacznie poprawiła interoperacyjność, ułatwiła konserwację i obniżyła koszty infrastruktury. Dlatego też te nowoczesne systemy prowadzą do środowiska działającego w czasie zbliżonym do rzeczywistego, i pozwalają na efektywniejszą pracę maszyn na hali.

System SCADA: Sterowanie i wygląd?

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) to komputerowy system monitorowania i kontroli wykorzystywany przede wszystkim do kontroli danych, monitorowania i akwizycji danych procesu. System SCADA ma cztery funkcje:

1. zbieranie danych,
2. komunikacja sieciowa,
3. prezentacja danych,
4. kontrola i monitorowanie danych.

W obiekcie sterowalnym można wyłożyć trzy główne rodzaje sygnałów: Sterujące, wyjściowe, i zakłócające. Sygnał sterujący odpowiada rodzajowi sygnału wejściowego, którego celem jest wymuszenie pożądanej zmiany sygnału wejściowego. Sygnały zakłócające są sygnałami niepożądanymi w procesie sterowania.  Szybki rozwój dziedzin elektroniki, informatyki oraz wykorzystanie komputerów osobistych w automatyce przemysłowej do zadań takich jak programowanie sterowników PLC czy tworzenie dokumentacji, doprowadziły do powstania nowego rodzaju oprogramowania. Głównym celem tego oprogramowania jest wizualizacja, nadzorowanie oraz sterowanie procesami technologicznymi. Systemy SCADA, czyli nadzoru i akwizycji danych, rozszerzają funkcje tradycyjnych systemów sterowania, dodając nowe możliwości.

Systemy mają na celu zbieranie, przetwarzanie i przechowywanie danych, generowanie raportów, wizualizację przebiegu procesu oraz alarmowanie. Również dostarczają niezbędne dane dla warstwy zarządzania i sterowania. Przy ich wykorzystaniu możliwa jest niezawodna komunikacja z siecią sterowników PLC oraz zdolność do modyfikowania programu sterującego procesem bez potrzeby wyłączania sterowników. Technologie komunikacyjne, które SCADA obejmuje są powszechnie znane wielu firmom, do takich należą chociażby: RS-232, Modbus, DNP3, MQTT czy popularny Ethernet.

Charakterystyczną cechą systemów SCADA jest to, że działanie układów regulacji procesów technologicznych może zachodzić niezależnie od systemu SCADA. Ten system stanowi warstwę nadrzędną nad procesem sterowania, umożliwiając nadzór nad sterownikami, regulatorami oraz wizualizację przebiegu procesu technologicznego. IMI-Polska skutecznie wspiera wdrażanie technologii SCADA do maszyn produkcyjnych w firmach, dając profesjonalną gwarancję. Dzięki ich ekspertyzie i doświadczeniu, procesy produkcyjne są optymalizowane poprzez nowoczesną wizualizację, nadzór oraz zdalne sterowanie. IMI-Polska zapewnia fachowe wsparcie w dostosowaniu tych systemów do niekonwencjonalnych potrzeb produkcji, umożliwiając efektywną i niezawodną kontrolę procesów.

Architektura Systemu SCADA

Struktura systemu SCADA składa się z komponentów sprzętowych i zaawansowanego oprogramowania, przy czym sprzęt obejmuje zdalną jednostkę końcową (RTU), główną jednostkę końcową (MTU) i pomniejsze czujniki.

RTU z angielskiego to Remote Terminal Units, które jest samodzielną jednostką do pozyskiwania i kontroli danych, natomiast MTU to Master Terminal Unit i oznacza rozmiar maksymalnego pakietu, który można przesyłać.  W skład systemu wchodzą również: siłowniki i czujniki; oraz interfejs człowiek-maszyna czyli HMI (Human-Machine Interface), centralną bazę danych i inne oprogramowania.

RTU – jest odpowiedzialny za zbieranie w czasie rzeczywistym danych i informacji z czujników podłączonych do środowiska fizycznego za pośrednictwem łącza LAN. Jednostki RTU przekazują informacje bezpośrednio do MTU. Urządzenia (IED) są wykorzystywane do łączenia czujników/elementów wykonawczych poprzez moduły wejściowe i wyjściowe. poprzez moduły wejść i wyjść. Stanowią one bardziej nowoczesną alternatywę lub uzupełnienie instalacji RTU. Urządzenia IED mogą kontrolować kilkoma różnymi aspektami czujnika/siłownika, w porównaniu do niż PLC, który jest przeznaczony do konkretnego zadania wyznaczonego wcześniej przez operatora. Urządzenia IED są łatwiejsze do skonfigurowania i wymagają mniej okablowania w porównaniu do tradycyjnego RTU. Zazwyczaj urządzenia IED mają port komunikacyjny i mogą komunikować się bezpośrednio ze sterownikiem PLC podstacji lub działać jako brama do serwera SCADA.

MTU – to centralna stacja monitorująca. Jest ona odpowiedzialna za kontrolowanie i wydawanie poleceń maszynie RTU za pośrednictwem łączy komunikacyjnych. Odpowiada również na komunikaty z RTU oraz przetwarza i przechowuje przetwarza je i przechowuje do następnej komunikacji.

HMI – zapewnia interfejs komunikacyjny między komponentami sprzętowymi i programowymi systemu SCADA. Odpowiada za kontrolę informacji operacyjnych SCADA, na przykład sterowanie, monitorowanie i komunikację między kilkoma RTU i MTU w postaci tekstu, statystyk lub innych zrozumiałych treści.

Sieć komunikacyjna – zapewnia usługi komunikacyjne między różnymi komponentami w ramach sieci SCADA. Medium wykorzystywane do przesyłania informacji może być zarówno bezprzewodowe, jak i przewodowe. Obecnie media bezprzewodowe cieszą się popularnością, ze względu na zdolność łączenia obszarów o trudnym dostępie oraz terenów o nietypowej konfiguracji, co ułatwia komunikację.

Systemy Łącznościowe

Ze względu na standaryzację i opłacalne podejście do rozwiązań na dużą skalę, sieci oraz Internet znalazły szerokie zastosowanie w dzisiejszych czasach, a to właśnie nazywane jest nowoczesnym systemem SCADA. W projektach automatyki przemysłowej, systemy SCADA mogą być rozmieszczone geograficznie na linii produkcyjnej. Sieciowy system SCADA ściśle koreluje z rozproszonym systemem SCADA, różniąc się istotnie poprzez wykorzystanie otwartych protokołów i standardów komunikacji zamiast zastrzeżonych protokołów. Efektem tego jest dystrybucja funkcjonalności Terminali Zdalnych (MTU) w sieci lokalnej (LAN).

Dzięki wykorzystaniu otwartych standardów, sieć jest zdolna do integracji z urządzeniami peryferyjnymi od różnych dostawców. Ważnym upgradem w systemie SCADA opartym na sieciach było wdrożenie protokołu Internetowego do komunikacji między Terminalami Zdalnymi (MTU) a Jednostkami Terminalowymi (RTU), co przyczyniło się do zwiększenia odporności na awarie.

Protokoły komunikacyjne to wytyczne regulujące sposób przekazywania i wymiany danych poprzez połączenia komunikacyjne systemu SCADA. Te są odgrywają kluczową rolę w interakcjach między Terminalami Zdalnymi (MTU) a Jednostkami Terminalowymi (RTU). Początkowo, do zdalnej komunikacji wykorzystywano urządzenia i przekaźniki zabezpieczające za pośrednictwem lokalnych połączeń RS232 lub interfejsów modemów „dial-up”. Jednak ze względu na skalowalność, systemy te przeszły na bardziej nowoczesne protokoły.

Z uwagi na to, że system SCADA składa się z wielu komponentów, używanie protokołów specyficznych dla dostawcy może prowadzić do problemów komunikacyjnych między komponentami. Każdy dostawca może stosować własne zasady i procedury komunikacyjne, różniące się od interpretacji i konwersji danych, przydzielania adresów, generowania poleceń i przekazywania informacji o stanie. W celu zachowania interoperacyjności i efektywności kosztowej, zaczęto wprowadzać otwarte standardy. Wsparcie w tej dziedzinie można dostać bezpośrednio od producentów danej maszyny, która posiada wimplementowany system SCADA.

Otwarte protokoły podnoszą dostępność, interoperacyjność urządzeń, minimalizują zależność od konkretnych dostawców, optymalizują koszty oraz ułatwiają wsparcie techniczne. Analiza różnych protokołów komunikacyjnych może być podzielona na dwie kategorie: przewodową i bezprzewodową.

Środowisko maszyn zautomatyzowanych

Różnorodne branże wykorzystują moc nowoczesnych technologii do tworzenia, monitorowania oraz kontroli zautomatyzowanych systemów. Dzięki innowacjom  Internetu rzeczy (IoT) oraz dostępnym ekonomicznie rozwiązaniom opartym na chmurze obliczeniowej, systemy SCADA doświadczają znacznego obniżenia kosztów infrastruktury i implementacji. Co więcej, integracja i utrzymanie tych systemów są obecnie znacznie ułatwione w porównaniu do poprzednich generacji. Przykładem najbliżej znanej nam ewolucji w obszarze systemów SCADA jest Przemysł 4.0, reprezentujący czwartą generację tych systemów. Industry 4.0 opiera się na zaawansowanym przetwarzaniu kognitywnym, cyberfizycznych systemach (CPS), IoT oraz przetwarzaniu w chmurze. Już teraz systemy SCADA wykazują wiele charakterystycznych cech Internetu Rzeczy, zapewniając dostęp do danych, zdolność manipulacji oraz zaawansowaną wizualizację informacji.

Systemy SCADA, tworząc zaawansowany system monitorowania i kontroli procesów tworzą system niemalże perfekcyjny, aby zaniechać tworzenia dodatkowych marnotrawstw. Poniżej przedstawiamy krótkie podsumowanie najważniejszych atrybutów systemu SCADA:

Integracja Danych: Maszyny mierzące generują dane pomiarowe, takie jak temperatury, ciśnienia, prędkości czy ilości surowców. System SCADA może zbierać te dane i prezentować je w formie czytelnych wykresów i grafik na interfejsie HMI.

Wizualizacja Pomiarów: System SCADA umożliwia wizualizację pomiarów maszyn na interfejsie graficznym. Operatorzy i personel nadzorujący mogą szybko ocenić stan urządzeń na podstawie dostarczonych danych.

Trendy i Wykresy: System SCADA może tworzyć trendy i wykresy na podstawie danych pomiarowych. To pozwala na analizę historycznych trendów, identyfikację wzorców oraz podejmowanie decyzji opartych na analizach.

Alarmy i Powiadomienia: Gdy maszyny mierzące wykryją odchylenia od normy, system SCADA może generować alarmy i powiadomienia dla personelu odpowiedzialnego za nadzór. To umożliwia szybką reakcję na nieprawidłowości.

Optymalizacja Procesów: Dzięki połączeniu danych z maszyn mierzących z systemem SCADA, można monitorować i optymalizować procesy produkcyjne. System może automatycznie dostosowywać parametry maszyn na podstawie zmiany warunków.

Raportowanie: Dane pomiarowe mogą być automatycznie zbierane i archiwizowane w systemie SCADA. To umożliwia tworzenie raportów, analizę efektywności oraz identyfikację obszarów wymagających poprawy.

Zdalna Kontrola: System SCADA umożliwia zdalną kontrolę nad maszynami (np. pakującymi). Operatorzy mogą zmieniać ustawienia i parametry zdalnie, co jest szczególnie przydatne w przypadku trudno dostępnych urządzeń.

Zobacz także:

1. Automatyzacja produkcji
2. Automatyka przemysłowa
3. Prefabrykacja szaf sterowniczych – dlaczego warto stosować standardy?
4. Projektowanie instalacji elektrycznych – maszyny
5. Kim jest integrator automatyki przemysłowej?
6. Zastosowanie robotów przemysłowych w różnych branżach i gałęziach przemysłu
7. Projektowanie i budowa maszyn przemysłowych
8. Linie produkcyjne i technologiczne
9. Certyfikacja maszyn CE
10. Analiza ryzyka, jego ocena oraz redukcja
11. Produkcja farmaceutyczna
12. Przenośniki łańcuchowe
13. Taśmociąg producent
14. Maszyny przemysłowe produkcja
15. Relokacja maszyn i urządzeń
16. SCADA: Bezpieczny nadzór procesu produkcyjnego
17. Czym jest OEE? Korzyści z jego monitorowania
18. Dyrektywa Maszynowa – obowiązki producenta, odpowiedzialność pracodawcy
19. Zabezpieczenia nadprądowe
20. Robot spawalniczy