Prvky systému SCADA

Systém se skládá z následujících prvků: MTU, RTU, provozní zařízení, HMI, PLC, komunikace SCADA, server pro sběr dat a historii dat.

MTU (hlavní koncová jednotka)

Hlavní stanice, nazývaná také centrální hostitel nebo MTU, shromažďuje, ukládá a zpracovává data z různých RTU. MTU poskytuje operátorské rozhraní pro zobrazení informací a následné ovládání vzdálených míst. Doba, kterou MTU potřebuje k proskenování všech RTU a návratu k první z nich, se nazývá doba skenování nebo interval skenování. V komplexním systému SCADA se používá několik podřízených stanic, které shromažďují informace ze vzdálených míst (RTU) a předávají svá data zpět hlavní jednotce (MTU) systému.
Úkoly, které MTU vykonává, lze shrnout následovně:

• Monitoruje/řídí celý komunikační systém SCADA prostřednictvím komunikačního spojení, které může být LAN/WAN.
• Kontroluje komunikační spojení s RTU, zjišťuje jeho aktuální stav, posílá RTU požadavek na data/informace a shromažďuje je.
• Zobrazuje data/grafy vizuálně pomocí HMI.

RTU (vzdálená koncová jednotka)

RTU je mikroprocesorová samostatná jednotka pro sběr dat a řízení, která monitoruje a řídí zařízení na vzdálených místech, vzdálených od centrální jednotky nebo MTU. RTU shromažďuje data z provozních zařízení a kóduje je ve formě přijatelné pro MTU. Typická RTU má analogové a digitální vstupy/výstupy. Jednotku RTU si lze představit jako pokročilé vstupně-výstupní I/O zařízení s vestavěnými komunikačními prostředky.
RTU může komunikovat s jinou RTU na bázi peer-to-peer. Může také fungovat jako retranslační stanice pro jinou RTU a v takovém případě jednoduše ukládá a předává příslušné informace/údaje do MTU. Taková situace nastane, když RTU nemůže komunikovat přímo s MTU. RTU shromažďují informace v reálném čase ze snímačů a na žádost MTU je odesílají do MTU. V některých případech může RTU v případě naléhavé potřeby zaslat požadavek nadřízenému. Komunikace mezi RTU a MTU probíhá prostřednictvím LAN/WAN.
Konfigurační a řídicí programy pro RTU lze dynamicky stahovat z centrální nadřazené stanice. Některé jednotky RTU mohou být konfigurovány také lokálně z vlastní programovací jednotky. Komunikace mezi jednotkami RTU a MTU může probíhat po drátě, optickými vlákny, telefonní linkou, mikrovlnami nebo satelitem. Při komunikaci se používají protokoly a schémata detekce chyb pro bezchybný přenos dat a také pro zabránění phishingu ze strany některých cizích osob.

Topologie
Datová komunikace mezi MTU a RTU může probíhat s využitím různých topologií - tj. způsobu jejich vzájemného propojení. Na obrázku 1 jsou znázorněny různé topologie, které se obvykle používají při komunikaci SCADA.
V topologii „hvězda“ může každá RTU komunikovat s MTU, ale žádná z RTU nemůže komunikovat mezi sebou. V topologii „ring“ nebo „daisy chain“ může každá stanice komunikovat se svým sousedem. Komunikace „peer-to-peer“ spolu se schopností „uložit a předat“ zprávu umožňuje předat zprávu z MTU přes jednu nebo více RTU do RTU, která je mimo přímý dosah MTU. Tato metoda je velmi užitečná pro systém SCADA, v němž jsou MTU a RTU geograficky velmi vzdáleny. V topologii „sběrnice“ může kterákoli stanice odeslat/přijmout zprávu od kterékoli jiné stanice. Tento systém komunikace se v poslední době zalíbil vývojářům SCADA, kteří pro přenos dat používají optické kabely namísto rádiové komunikace.

Požadavky na RTU
RTU musí mít redundantní napájení pro nepřetržitou dostupnost napájení i při výpadku proudu. Měla by mít také redundantní komunikační port, aby RTU zůstala v provozu i při výpadku sítě LAN. Měla by mít hodiny reálného času, aby bylo možné přesně označovat zprávy datem a časem, a měla by mít časovač hlídání, aby RTU mohla znovu zahájit provoz po výpadku napájení.
Měla by mít robustní konstrukci, aby odolávala extrémním teplotám a vlhkosti. Měla by podporovat komunikaci se všemi zařízeními na místě a také s jakýmkoli budoucím zařízením, které může být přidáno v poli. Její paměť by měla být nevolatilní povahy (NVRAM) a jakýkoli nový firmware by měl být stažen přes LAN, aby byly schopnosti RTU stále aktuální.

Hardware a funkce RTU
Hardware RTU se skládá ze vstupů, výstupů, paměti, komunikačního a napájecího modulu. Vstupy mohou být analogového, digitálního nebo čítačového typu, zatímco výstupy mohou být analogové nebo digitální povahy. Paměť zahrnuje jak dynamickou, tak statickou paměť. V systému SCADA musí RTU komunikovat se snímači a řídicími jednotkami na jedné straně
a s MTU na straně druhé.

Funkce softwaru RTU
Operační systém reálného času (RTOS) se stará o všechny softwarové potřeby RTU. RTU musí rychle snímat velké množství vstupů. RTOS musí spravovat komunikační porty, jak k MTU, tak také I/O porty připojené k provozním zařízením. RTOS se tedy musí zabývat mnoha aplikacemi: skenováním vstupů, zpracováním a ukládáním procesních dat, jejich odesíláním do MTU, odpovídáním na požadavky/příkazy z MTU, nastavováním/změnou parametrů, povolováním/zakázáním I/O, diagnostikou, stahováním souborů atd.

Obsluha RTU
RTU v systému SCADA poměrně rychle skenuje vstupy, opatřuje je časovými značkami a ukládá je do své paměti pro jejich případný přenos do MTU. Ačkoli v některých případech RTU iniciuje hlášení do MTU, obvykle MTU dotazuje RTU a žádá o data. Jednotky RTU lze rozdělit na menší a větší. Ne všechny jednotky RTU mohou mít zabudovány všechny funkce. Malé jednotky RTU mohou mít 8bitové procesory s malou pamětí, zatímco větší jednotky mají schopnost časového značení dat s přesností na milisekundy.

RTU vykonává následující činnosti:

• navázat spojení s dozorovaným zařízením
• číst stav zařízení (např. stav otevřeno/sepnuto ventilu nebo relé).
• získat hodnotu měřeného signálu (např. teplota, tlak nebo napětí).
• ovládat zařízení vysláním příkazového/řídicího signálu.
• Čtení hodnoty digitálního/analogového signálu

Datová zařízení a propojení v poli

Polní zařízení (ovládaná zařízení) tvoří jednu z nejdůležitějších částí celého systému SCADA. Polní snímače, akční členy, polohovadla ventilů, průtokoměry, snímače teploty, měřiče tlaku, měřiče spotřeby energie, rozváděče pro řízení motorů poskytují operátorovi potřebné informace např. v systému distribuce vody. Údaje z pole musí být propojovacími zařízeními převedeny do podoby, která je v konečném důsledku přijatelná pro systém SCADA. Toto rozhraní zajišťují jednotky RTU. Jednotky RTU převádějí data z pole podle komunikačního protokolu do takové podoby, aby byla přijatelná pro MTU pro analýzu dat, ukládání dat a pro účely HMI.
Vzhledem k omezené šířce pásma komunikačního kanálu a za účelem snížení zátěže MTU jsou instrukce pro zařízení rozhraní ukládány lokálně v PLC. PLC je přímo připojeno k zařízením rozhraní pro provozní data a má v sobě uloženy programy, které se provádějí na základě určitých podmínek v provozních zařízeních. PLC se používají jako náhrada řídicí logiky spínání relé. Někdy je nutné měnit programy uložené v PLC pomocí určité vzdálené logiky, která je součástí dohledového řízení. Někdy jsou do PLC zabudovány komunikační moduly a v průběhu let se hranice mezi PLC a RTU stále více stírá.

Rozhraní člověk-stroj (HMI), rozhraní člověk-počítač (HCI) nebo rozhraní člověk-stroj (MMI)

Uživatelské rozhraní HMI nebo SCADA zajišťuje rozhraní mezi hardwarem a softwarem v komunikačním systému SCADA. Výkonnost systému SCADA výrazně závisí na rozhraní HMI.
HMI je okno operátora dohledového systému. Představuje operátorovi různé informace o stavu zařízení graficky ve formě mimických diagramů. Tyto diagramy představují schematické znázornění řízeného zařízení. Mimické diagramy se skládají z čárové grafiky a schematických symbolů představujících prvky procesu.
HMI přebírá odpovědnost za dohledové operace v systému SCADA. Operátor vydává příkazy pomocí ukazatelů, klávesnic a dotykových obrazovek. Součástí HMI je software pro kreslení, který používají pracovníci systému, kteří mohou také měnit vizuální zobrazení podle potřeby systému.
HMI poskytuje diagnostiku, trendy, informace o řízení a také aktuální stavy různých parametrů pod kontrolou systému SCADA. Obrazové znázornění je nejpreferovanějším způsobem pro stavy, hodnoty proměnných, protože je pro člověka nejsnáze pochopitelné.
Obvykle se HMI navrhuje podle potřeb a specifikací struktury SCADA. Někdy se používá proprietární software spolu s hardwarovou konfigurací, která nemusí být kompatibilní s jiným hardwarem. K dispozici jsou některé komerční produkty, které poskytují rozhraní mezi hardwarem a softwarem SCADA a zajišťují kompatibilitu mezi hardwarem a softwarem SCADA. Obecně lze říci, že HMI provádí následující činnosti:

• zajišťuje komunikaci mezi hardwarem a softwarem SCADA
• poskytuje informace o stavu různých proměnných
• zajišťuje konverzi mezi několika typy dat

Programovatelný logický automat (PLC)

PLC již byly v mnoha článcích vyčerpávajícím způsobem popsány. Jsou nedílnou součástí každého systému založeného na SCADA. PLC, zavedený koncem 60. let 20. století, je mikroprocesorový systém, který využívá programovatelnou paměť pro ukládání instrukcí a realizuje funkce, jako je logika, sekvenční řízení, časování, počítání, aritmetika a PID regulace, za účelem řízení procesů a strojů. PLC má několik bloků, včetně vstupních a výstupních modulů, komunikačního modulu a mikroprocesoru.
Vstupy a výstupy připojené k PLC se rozpoznávají podle adres. Jedná se o číslo, kterému předchází písmeno označující, zda se jedná o vstup nebo výstup.

Historian dat

Historian dat ukládá do své databáze data s časovým razítkem, logické události, stav alarmu nebo jakékoli jiné informace dostupné ze systému. Ukládá informace z řídicího centra SCADA. Data z databáze lze načíst podle potřeby a získat grafické trendy události a zobrazit je na obrazovce HMI pro analýzu.

Zpracování alarmů

Zpracování alarmů je jednou z nejdůležitějších otázek systému SCADA. Indikace alarmu může mít podobu sirény, blikající oblasti na obrazovce nebo vyskakovacího okna na obrazovce. Úkolem „alarmu“ je upozornit obsluhu na část systému, která je v poplachu, aby mohla být přijata vhodná opatření k odstranění příčiny alarmu. Největší pozornost je třeba věnovat tomu, když se v rychlém sledu za sebou vyskytne kaskáda alarmových událostí. V takovém případě by měl operátor uplatnit své znalosti a zkušenosti s provozem ohledně toho, kterému alarmovému stavu je třeba věnovat pozornost jako prvnímu, v závislosti na závažnosti, kterou může stav mimo dosah ovlivnit výkonnost systému.
Po výskytu alarmu jsou vzdálenému operátorovi nebo vedení zasílány akce ve formě textových zpráv a e-mailů. Po potvrzení alarmu a provedení příslušných opatření je alarm deaktivován.