Was ist SCADA? Wie werden industrielle Systeme überwacht und gesteuert?

Was ist SCADA?

SCADA steht für Supervisory Control and Data Acquisition und bezeichnet Systeme zur übergeordneten Überwachung, Steuerung und Datenerfassung industrieller Prozesse.

Die Hauptaufgabe eines SCADA-Systems besteht darin, Daten von Maschinen, Sensoren und Steuerungseinheiten im Feld zu erfassen, diese zentral zusammenzuführen, den Bedienern bereitzustellen und bei Bedarf übergeordnete Steuerbefehle an das System zu übermitteln.

SCADA-Systeme sind in der Regel nicht dafür ausgelegt, einzelne Maschinen im Millisekundenbereich direkt zu steuern. Solche Echtzeit-Steuerungsaufgaben werden üblicherweise von SPS, RTUs oder speziellen Steuerungen übernommen.

SCADA arbeitet stattdessen oberhalb dieser Steuerungsebene und bietet dem Bediener einen umfassenderen Überblick über den gesamten Prozess.

Daher übernimmt SCADA innerhalb einer industriellen Automatisierungsarchitektur häufig die Funktionen Überwachung, Datenerfassung, Alarmmanagement, historische Datenaufzeichnung und übergeordnete Steuerung.

Wie funktioniert ein SCADA-System?

Ein SCADA-System erfasst kontinuierlich Daten von Geräten und Komponenten im Feld.

Dabei kann es sich beispielsweise um Temperatur, Druck, Durchfluss, Motorzustand, Ventilstellung, Energieverbrauch, Produktionsmenge oder nahezu jede andere Prozessvariable handeln.

Informationen von Sensoren werden in der Regel zunächst an lokale Steuerungseinheiten wie SPS oder RTUs übertragen.

Während diese Steuerungen die Echtzeitregelung und -steuerung des Prozesses übernehmen, übermitteln sie gleichzeitig relevante Prozessdaten an das SCADA-System.

Der SCADA-Server beziehungsweise die zentrale SCADA-Software verarbeitet diese Daten und stellt sie auf Bedienoberflächen dar.

Dadurch können Bediener Maschinen, Produktionslinien oder Prozessanlagen in verschiedenen Bereichen einer Anlage über eine zentrale Oberfläche überwachen.

Bei Bedarf können über die SCADA-Oberfläche auch Befehle wie die Änderung eines Sollwerts, das Starten einer Anlage oder das Stoppen eines Prozesses übermittelt werden.

Ob diese Befehle tatsächlich ausgeführt werden, wird jedoch in vielen Systemen weiterhin durch die SPS-Logik und die Sicherheitssysteme auf Feldebene bestimmt.

Was sind die wichtigsten Komponenten eines SCADA-Systems?

SCADA besteht nicht aus einem einzelnen Gerät. Ein SCADA-System entsteht durch das Zusammenspiel verschiedener Hardware- und Softwarekomponenten.

Sensoren und Feldgeräte

Die im Feld installierten Geräte und Komponenten bilden die primäre Datenquelle eines SCADA-Systems.

Temperatursensoren, Druckmessumformer, Durchflussmesser, Füllstandsensoren, elektrische Messgeräte, Motoren und Ventile können Bestandteil eines solchen Systems sein.

Die von diesen Geräten bereitgestellten Informationen werden an das Steuerungssystem übertragen.

SPS- und RTU-Systeme

SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen) und RTUs (Remote Terminal Units) gehören zu den wichtigsten Steuerungs- und Datenerfassungsgeräten auf der Feldebene einer SCADA-Architektur.

SPS werden insbesondere in Fabriken und in der Maschinenautomatisierung eingesetzt.

RTUs kommen dagegen häufig in Infrastruktursystemen zum Einsatz, die über große geografische Gebiete verteilt sind.

Beispielsweise können RTUs in entfernten Pumpstationen von Wasserversorgungssystemen oder in elektrischen Übertragungsnetzen eingesetzt werden.

SCADA-Server

Der SCADA-Server sammelt und verarbeitet zentral die von den Steuerungseinheiten im Feld übertragenen Daten.

Er kann Echtzeit-Prozessdaten verwalten, Alarmzustände auswerten, Benutzersitzungen kontrollieren und historische Daten an entsprechende Speichersysteme weiterleiten.

In großen Anlagen können mehrere Server redundant betrieben werden, um die Verfügbarkeit des Systems zu erhöhen.

HMI

Ein HMI (Human-Machine Interface) ist die grafische Benutzeroberfläche, über die ein Bediener mit dem SCADA-System interagiert.

Auf HMI-Bildschirmen können Prozessdiagramme, Motorzustände, Ventilstellungen, Tankfüllstände, Temperaturen, Trendkurven und Alarminformationen dargestellt werden.

Die Begriffe SCADA und HMI werden gelegentlich synonym verwendet, bezeichnen jedoch nicht dasselbe.

Ein HMI beschreibt in erster Linie die Bedienoberfläche, während SCADA eine wesentlich umfassendere Infrastruktur zur Datenerfassung, Kommunikation, historischen Aufzeichnung und Systemverwaltung umfasst.

Historian

Zur langfristigen Speicherung industrieller Prozessdaten können spezielle Datenspeichersysteme verwendet werden, die als Historian bezeichnet werden.

Mit einem Historian lässt sich das Verhalten einer Prozessvariablen über Stunden, Tage oder sogar Jahre hinweg analysieren.

Diese Informationen können für die Analyse der Produktionsleistung, die Untersuchung von Störungen, das Energiemanagement und die Wartungsplanung genutzt werden.

Was ist der Unterschied zwischen SCADA und einer SPS?

SPS und SCADA sind Bestandteile derselben Automatisierungsarchitektur, erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben.

Eine SPS übernimmt die Echtzeitsteuerung von Maschinen und Prozessen.

Beispielsweise können das Starten eines Förderbands, das Stoppen eines Motors oder das Öffnen eines Ventils in Abhängigkeit von einer Temperaturbedingung durch eine SPS gesteuert werden.

SCADA arbeitet auf einer übergeordneten Ebene.

Das System stellt Informationen über den von der SPS gesteuerten Prozess bereit, zeichnet Prozessdaten auf und ermöglicht die Übermittlung bestimmter übergeordneter Befehle an die SPS.

Vereinfacht ausgedrückt:

Die SPS steuert den Prozess auf der Feldebene.

SCADA ermöglicht die zentrale Überwachung und übergeordnete Verwaltung des Prozesses.

SCADA ersetzt daher keine SPS, sondern ergänzt SPS-basierte Steuerungssysteme innerhalb einer umfassenderen industriellen Automatisierungsarchitektur.

Was ist der Unterschied zwischen SCADA und DCS?

SCADA- und DCS-Systeme (Distributed Control Systems) verfügen teilweise über ähnliche Funktionen, unterscheiden sich jedoch häufig hinsichtlich ihrer Architektur und typischen Einsatzbereiche.

DCS-Systeme werden häufig in Chemieanlagen, petrochemischen Betrieben, Raffinerien und anderen großen kontinuierlichen Prozessanlagen eingesetzt.

Die Steuerungsfunktionen sind auf mehrere Controller verteilt, wobei das System typischerweise eine eng integrierte Architektur für die Prozesssteuerung innerhalb einer Anlage bereitstellt.

SCADA eignet sich dagegen besonders für Anwendungen, bei denen Daten aus geografisch verteilten Systemen zentral erfasst und überwacht werden müssen.

Elektrische Netze, Wasserversorgungssysteme, Pipelines und räumlich entfernte Infrastrukturanlagen sind typische Beispiele.

Die Grenzen zwischen modernen SCADA- und DCS-Architekturen sind jedoch heute weniger eindeutig als in der Vergangenheit.

Wie werden Daten in einem SCADA-System erfasst?

Damit ein SCADA-System funktionieren kann, müssen Informationen verschiedener Geräte über eine gemeinsame Kommunikationsinfrastruktur übertragen werden.

Feldgeräte sind in der Regel mit SPS oder RTUs verbunden.

Diese Steuerungseinheiten verarbeiten die von Sensoren gelieferten Daten und übertragen relevante Informationen an den SCADA-Server.

Die Datenkommunikation kann über Ethernet, serielle Schnittstellen, Glasfasernetze, drahtlose Systeme oder industrielle Kommunikationsnetzwerke erfolgen.

Ein SCADA-System kann Geräte in festgelegten Zeitintervallen abfragen oder so konfiguriert werden, dass Geräte aktualisierte Informationen bei bestimmten Änderungen selbstständig übertragen.

In modernen Architekturen dient die Datenerfassung nicht nur dazu, Informationen an einen zentralen Server weiterzugeben. Sie ermöglicht auch anderen Produktions-, Analyse- und Digitalsystemen den Zugriff auf dieselben Prozessdaten.

Welche Kommunikationsprotokolle werden in SCADA-Systemen verwendet?

Die in SCADA-Systemen verwendeten Kommunikationsprotokolle unterscheiden sich je nach Branche, Gerätetyp und Systemarchitektur.

Zu den häufig eingesetzten Protokollen und Technologien gehören:

• Modbus TCP
• Modbus RTU
• OPC UA
• PROFINET
• EtherNet/IP
• DNP3
• IEC 60870-5-104
• MQTT

Einige dieser Protokolle sind vor allem in der Fabrikautomatisierung verbreitet, während andere häufiger in Energie- und Infrastruktursystemen eingesetzt werden.

DNP3 und IEC 60870-5-104 spielen beispielsweise eine wichtige Rolle in Anwendungen der elektrischen Energieversorgung und Infrastruktur.

OPC UA gewinnt dagegen in modernen industriellen Umgebungen zunehmend an Bedeutung, da es einen standardisierten Datenaustausch zwischen Automatisierungssystemen verschiedener Hersteller ermöglicht.

Wie funktioniert das Alarmmanagement in SCADA-Systemen?

Eine der wichtigsten Aufgaben eines SCADA-Systems besteht darin, Bediener über ungewöhnliche oder kritische Prozesszustände zu informieren.

Ein Alarm kann beispielsweise ausgelöst werden, wenn der Füllstand eines Tanks einen festgelegten Höchstwert überschreitet, ein Motor übermäßig viel Strom aufnimmt oder eine Prozesstemperatur den sicheren Betriebsbereich verlässt.

Ein Alarm besteht jedoch nicht nur aus einer roten Warnmeldung auf dem Bildschirm.

Moderne Systeme können zusätzlich Informationen erfassen wie:

• Alarmpriorität
• Zeitpunkt des Auftretens
• Quittierungsstatus
• Aktiver oder inaktiver Zustand
• Reaktion des Bedieners
• Historische Alarmdaten

Schlecht ausgelegte Alarmsysteme können dazu führen, dass Bediener wirklich kritische Ereignisse zwischen einer großen Anzahl unnötiger Warnmeldungen nicht rechtzeitig erkennen.

Daher ist das Alarmmanagement ein wichtiger ingenieurtechnischer Bestandteil der SCADA-Systemauslegung.

Wie werden historische Daten mit SCADA analysiert?

Die von SCADA-Systemen erfassten Daten werden nicht ausschließlich in Echtzeit verwendet.

In Historian-Systemen oder anderen Datenbanken gespeicherte Prozessinformationen können zu einem späteren Zeitpunkt analysiert werden.

So lassen sich beispielsweise der monatliche Energieverbrauch einer Fabrik, die langfristige Betriebstemperatur eines Motors oder Stillstandszeiten einer Produktionslinie anhand historischer Daten untersuchen.

Diese Analysen können dabei helfen:

• Energieverbrauch zu überwachen
• Produktionsverluste zu identifizieren
• Prozessverhalten vor Störungen zu untersuchen
• Wartungsentscheidungen zu unterstützen
• Produktionsleistungen zu vergleichen

Eine zuverlässige historische Datenerfassung bildet damit eine wichtige Grundlage für datenbasierte Entscheidungsprozesse in modernen Industrieanlagen.

Warum ist Cybersicherheit bei SCADA-Systemen wichtig?

Cybersicherheit spielt in SCADA-Umgebungen eine besonders wichtige Rolle, da diese Systeme direkt mit physischen Produktions- und Infrastrukturprozessen verbunden sind.

Viele traditionelle industrielle Steuerungssysteme wurden ursprünglich innerhalb isolierter Netzwerke betrieben.

Heute sind Produktionsanlagen zunehmend mit Unternehmensnetzwerken, Fernzugriffssystemen, Cloud-Diensten und anderen digitalen Plattformen verbunden.

Diese Vernetzung bietet erhebliche betriebliche Vorteile, kann jedoch gleichzeitig die potenzielle Angriffsfläche vergrößern.

Netzwerksegmentierung

Eine geeignete Trennung von SCADA- und Automatisierungsnetzwerken von klassischen Unternehmens- und Büronetzwerken gehört zu den grundlegenden Sicherheitsmaßnahmen.

Auch innerhalb eines industriellen Netzwerks können zusätzliche Sicherheitszonen eingerichtet werden.

Authentifizierung und Autorisierung

Nicht jeder Benutzer sollte über dieselben Zugriffsrechte im System verfügen.

Zugriffsberechtigungen können entsprechend verschiedener Rollen wie Bediener, Wartungstechniker, Ingenieur oder Systemadministrator vergeben werden.

Sicherer Fernzugriff

Wenn für Wartung oder technischen Support ein Fernzugriff auf SCADA-Systeme erforderlich ist, müssen diese Verbindungen kontrolliert und sicher eingerichtet werden.

Update- und Patch-Management

SCADA-Server, Betriebssysteme und die zugehörige Software sollten regelmäßig auf bekannte Sicherheitslücken überprüft werden.

Updates in industriellen Umgebungen müssen jedoch aufgrund der Anforderungen an Produktionskontinuität und Anlagenverfügbarkeit sorgfältig geplant werden.

SCADA-Cybersicherheit ist nicht ausschließlich ein Thema der Informationssicherheit. Da diese Systeme mit physischen Anlagen interagieren, können Cyberangriffe auch Auswirkungen auf Produktion, Maschinen und die Sicherheit von Menschen haben.

Wo werden SCADA-Systeme eingesetzt?

SCADA-Technologien sind nicht auf Fabriken beschränkt.

Produktionsanlagen

SCADA kann zur zentralen Überwachung von Produktionslinien, Maschinen, Energieverbrauch und Prozessparametern eingesetzt werden.

Energiesysteme

In Anlagen zur Stromerzeugung sowie in Übertragungs- und Verteilnetzen werden SCADA-Systeme eingesetzt, um eine große Anzahl räumlich verteilter Anlagen zu überwachen und zu steuern.

Wasser- und Abwassersysteme

Pumpstationen, Speicheranlagen, Aufbereitungsanlagen und Wasserversorgungsnetze können mithilfe zentraler SCADA-Plattformen überwacht werden.

Öl und Erdgas

SCADA kann zur Überwachung von Pipelines, Pumpstationen und Verteilungssystemen über große geografische Gebiete hinweg eingesetzt werden.

Gebäude- und Infrastruktursysteme

In großen Einrichtungen können SCADA-ähnliche zentrale Steuerungsstrukturen zur Überwachung von Energieversorgung, HVAC-Systemen und weiteren technischen Anlagen eingesetzt werden.

Verkehrssysteme

SCADA-Systeme können zur zentralen Überwachung und Verwaltung technischer Einrichtungen in Tunneln, Bahnsystemen und anderen Verkehrsinfrastrukturen eingesetzt werden.

Welche Vorteile bieten SCADA-Systeme?

Einer der wichtigsten Vorteile von SCADA besteht darin, große und komplexe industrielle Prozesse zentral überwachen zu können.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Echtzeitüberwachung von Prozessen
• Zentrale übergeordnete Steuerung
• Alarm- und Ereignismanagement
• Historische Datenaufzeichnung
• Überwachung der Produktionsleistung
• Unterstützung bei der Fehleranalyse
• Zentrale Verwaltung entfernter Anlagen
• Analyse von Energie- und Prozessdaten

Diese Funktionen bieten insbesondere in Systemen mit einer großen Anzahl von Maschinen oder geografisch verteilten Feldgeräten erhebliche Vorteile.

Welche Grenzen haben SCADA-Systeme?

Obwohl SCADA eine leistungsfähige Technologie der industriellen Automatisierung ist, muss das gesamte System sorgfältig ausgelegt werden.

Bei großen SCADA-Projekten werden Kommunikationsinfrastruktur, Datenmanagement, Redundanz und Cybersicherheit zu wichtigen ingenieurtechnischen Herausforderungen.

Das bloße Sammeln großer Datenmengen erzeugt noch keinen Nutzen.

Die erfassten Informationen müssen sinnvoll strukturiert, Alarmsysteme sorgfältig ausgelegt und Bedienoberflächen klar und verständlich gestaltet werden.

Eine schlecht gestaltete SCADA-Oberfläche kann es Bedienern erschweren, wichtige Informationen rechtzeitig zu erkennen.

Eine zu große Anzahl von Alarmen kann außerdem zu Alarmmüdigkeit führen.

Ein SCADA-Projekt ist daher nicht lediglich eine Softwareinstallation. Es handelt sich um eine umfassende ingenieurtechnische Aufgabe, bei der Prozessführung, Steuerungs- und Regelungstechnik, Kommunikation, Mensch-Maschine-Interaktion und Cybersicherheit gemeinsam berücksichtigt werden müssen.

Die Zukunft der SCADA-Technologie

Mit der zunehmenden Digitalisierung industrieller Systeme entwickeln sich auch SCADA-Plattformen über klassische zentralisierte Überwachungssysteme hinaus.

Technologien wie OPC UA, MQTT und das Industrial Internet of Things ermöglichen einen flexibleren Austausch von Produktionsdaten zwischen unterschiedlichen Systemen.

Edge-Computing-Lösungen ermöglichen es, Daten näher am Produktionsprozess zu verarbeiten, bevor sämtliche Informationen an zentrale Systeme übertragen werden.

Cloud-Infrastrukturen erweitern zudem in bestimmten SCADA- und Industriedatenanwendungen die Möglichkeiten für Fernzugriff, Analyse und zentrale Verwaltung.

Künstliche Intelligenz und fortschrittliche Datenanalyse ermöglichen es, die großen Mengen an Prozessdaten aus SCADA-Systemen beispielsweise für Anomalieerkennung, Leistungsanalyse und vorausschauende Wartung zu nutzen.

Trotz dieser Entwicklungen bleibt die grundlegende Aufgabe von SCADA unverändert: zuverlässige Daten aus physischen Industriesystemen zu erfassen, Bedienern die Überwachung von Prozessen zu ermöglichen und die kontrollierte Verwaltung industrieller Anlagen zu unterstützen.