I sistemi SCADA sono fondamentali per le aziende industriali, poiché contribuiscono a mantenere elevati livelli di efficienza, segnalano tempestivamente eventuali problematiche del sistema per ridurre al minimo i tempi di inattività e analizzano i dati per supportare decisioni più consapevoli.
In passato, molti siti industriali, stabilimenti produttivi e strutture remote si affidavano al personale per il monitoraggio e il controllo manuale delle apparecchiature elettriche, utilizzando indicatori analogici e pulsanti.
Con l’espansione delle sedi remote e degli impianti industriali, è emersa la necessità di soluzioni più efficaci per gestire le apparecchiature elettriche a distanza. Alcune aziende hanno iniziato a utilizzare timer e relè per ottenere un controllo di supervisione più avanzato.
Sebbene timer e relè abbiano risolto alcuni problemi, le loro capacità di automazione erano limitate. Inoltre, la loro configurazione era complessa e l’ingombro dei pannelli di controllo e la ricerca guasti richiedevano più spazio, introducendo ulteriori criticità.
Per superare queste difficoltà, è stata introdotta una tecnologia chiamata “SCADA”.
L’avvento dei PLC (Programmable Logic Controller) e dei microprocessori, in concomitanza con la diffusione dei sistemi SCADA, ha permesso alle aziende di monitorare e controllare i processi automatizzati in modo più efficace rispetto al passato.
In questo articolo, analizzeremo il significato di SCADA, i suoi usi, le caratteristiche, i componenti, le diverse tipologie e molto altro.
Iniziamo!
Che cos’è SCADA?
SCADA, acronimo di Supervisory Control and Data Acquisition (Controllo di Supervisione e Acquisizione Dati), è un’applicazione che permette alle industrie di controllare i propri processi produttivi, ad esempio acquisendo dati da postazioni remote in tempo reale per monitorare le condizioni delle apparecchiature. Questa tecnologia offre numerosi strumenti essenziali per l’implementazione di decisioni basate su dati in tempo reale.
I sistemi SCADA hanno trasformato i processi di monitoraggio e controllo industriale a partire dagli anni ’70.
Tra la fine degli anni ’90 e l’inizio degli anni 2000, i sistemi SCADA hanno subito una significativa evoluzione, adottando architetture di sistema aperte e protocolli di comunicazione non specifici del fornitore. Questa transizione ha sfruttato tecnologie di comunicazione come Ethernet, che hanno permesso ai sistemi di interagire con prodotti di diversi fornitori, superando i limiti dei precedenti sistemi SCADA.
I sistemi SCADA moderni consentono agli operatori negli impianti industriali di accedere ai dati in tempo reale da qualsiasi parte del mondo. Questa accessibilità permette ad aziende, privati e governi di prendere decisioni più informate per ottimizzare i propri processi. Senza il software SCADA, sarebbe impossibile raccogliere una quantità sufficiente di dati.
Inoltre, i moderni software di progettazione SCADA sono dotati di funzionalità RAD (Rapid Application Development). Questo permette agli utenti di creare applicazioni con facilità, anche senza avere competenze di sviluppo software.
L’introduzione di pratiche e standard IT moderni, come le applicazioni web e i database SQL nei software SCADA, ha migliorato la sicurezza, l’affidabilità, la produttività e l’efficienza dei sistemi SCADA.
L’utilizzo dei database SQL semplifica l’integrazione con i sistemi ERP e MES, consentendo ai dati di fluire in modo continuo in tutta l’organizzazione.
In sintesi, SCADA è un sistema composto da elementi hardware e software che consente alle aziende industriali di:
- Gestire i processi industriali da remoto o in locale
- Monitorare, raccogliere ed elaborare i dati in tempo reale
- Interagire direttamente con dispositivi come pompe, valvole, sensori, motori e altro, tramite l’interfaccia uomo-macchina (software HMI)
- Registrare tutti gli eventi in un file di log
L’architettura di base dei sistemi SCADA si basa sulle RTU (Remote Terminal Unit) e sui PLC (Programmable Logic Controller). Questi microcomputer comunicano con una vasta gamma di dispositivi, come sensori, attuatori, HMI e macchinari di fabbrica. Le RTU e i PLC inviano i dati dai dispositivi ai computer utilizzando il software SCADA.
Il software SCADA elabora, visualizza e distribuisce i dati, aiutando i dipendenti e gli operatori ad analizzare le informazioni e prendere decisioni importanti.
Ad esempio, un sistema SCADA può avvisare immediatamente un operatore nel caso in cui un lotto di prodotti presenti delle anomalie. L’operatore può quindi interrompere il processo, visualizzare i dati del sistema tramite HMI e identificare la causa del problema. In questo scenario, l’operatore potrebbe scoprire che la “Macchina 4” non è operativa.
In questo modo, il sistema SCADA aiuta l’operatore a individuare il problema, risolverlo rapidamente e prevenire ulteriori perdite.
Componenti di un sistema SCADA
I sistemi SCADA sono composti da diversi elementi che vengono implementati sul campo per raccogliere dati in tempo reale. Questi componenti consentono l’acquisizione dei dati e l’ottimizzazione dell’automazione industriale.
Analizziamo nel dettaglio ciascun componente.
#1. Sensori e attuatori
Un sensore è un dispositivo o un sistema che rileva le funzioni di input provenienti dai processi industriali. Un attuatore è un dispositivo che controlla il meccanismo dei processi industriali. I sensori agiscono come misuratori o indicatori che mostrano lo stato della macchina.
Un attuatore funge da selettore, controllo o interruttore che può essere utilizzato per gestire un dispositivo. Entrambi sono monitorati e controllati dai controller di campo SCADA.
#2. Controller di campo SCADA
I controller di campo si interfacciano direttamente con attuatori e sensori. Essi si dividono in due categorie:
- Le Remote Terminal Unit (RTU) si interfacciano con i sensori per raccogliere i dati di telemetria e inviarli a un sistema primario per l’elaborazione successiva.
- I Programmable Logic Controller (PLC) si interfacciano con gli attuatori per mantenere e controllare i processi industriali in base ai dati di telemetria raccolti dalle RTU.
#3. Computer di supervisione SCADA
I computer di supervisione gestiscono tutti i processi relativi a SCADA. Sono utilizzati per acquisire dati dai dispositivi di campo e per inviare comandi ai dispositivi con lo scopo di controllare i processi industriali.
#4. Software HMI
Questo software fornisce un sistema per la visualizzazione dei dati provenienti dai dispositivi di campo SCADA. Inoltre, consente agli operatori di comprendere e modificare lo stato dei processi controllati dal sistema SCADA.
#5. Infrastruttura di comunicazione
L’infrastruttura di comunicazione consente ai sistemi di supervisione SCADA di interagire con i controller di campo e i dispositivi. Questo permette ai sistemi SCADA di raccogliere dati dai dispositivi sul campo e di controllarli.
Caratteristiche dei sistemi SCADA
I sistemi SCADA includono funzioni specifiche per applicazioni o settori particolari, ma la maggior parte dei sistemi supporta le seguenti caratteristiche:
- Acquisizione dati: è la base dei sistemi SCADA, dove i sensori raccolgono dati e li inviano ai controller sul campo. Successivamente, i controller di campo inviano i dati ai computer SCADA.
- Controllo remoto: viene ottenuto tramite il controllo degli attuatori di campo, basato sui dati raccolti dai sensori.
- Comunicazione dati in rete: è essenziale per tutte le funzioni SCADA. I dati acquisiti dai sensori vengono trasmessi ai controller di campo SCADA, che poi comunicano con i computer di supervisione SCADA. I comandi di controllo remoto vengono inviati agli attuatori dai computer di supervisione.
- Presentazione dei dati: viene realizzata tramite l’interfaccia HMI, che mostra i dati attuali e storici necessari agli operatori per gestire il sistema SCADA.
- Allarme: notifica agli operatori le condizioni critiche del sistema SCADA. Può essere facilmente configurato per avvisare gli operatori in caso di blocchi nei processi, malfunzionamento di alcuni sistemi o quando è necessario arrestare, avviare o modificare determinate operazioni.
- Dati storici e in tempo reale: entrambi sono fondamentali per il sistema SCADA. Permettono agli utenti di monitorare le performance attuali rispetto alle tendenze storiche.
- Reporting: include report sulle performance dei processi, sullo stato del sistema e report personalizzati per usi specifici.
Funzionamento di SCADA
I sistemi SCADA svolgono diverse funzioni, tra cui l’acquisizione dei dati, la comunicazione dei dati, la presentazione di informazioni/dati e il monitoraggio/controllo. Queste funzioni sono eseguite dai vari componenti di SCADA, come sensori, RTU, controller, una rete di comunicazione, ecc.
I sensori vengono utilizzati per raccogliere dati importanti e le RTU inviano questi dati al controller per visualizzare lo stato del sistema. In base allo stato, l’utente invia comandi ad altri componenti per eseguire le loro funzioni. Una rete di comunicazione rende possibile tutto ciò.
Analizziamo nel dettaglio ogni funzione per comprendere il principio di funzionamento dei sistemi SCADA.
Acquisizione dati
Un sistema SCADA in tempo reale è composto da numerosi sensori e componenti per acquisire informazioni e inviare i dati per ulteriori elaborazioni.
Ad esempio, alcuni sensori possono misurare il flusso d’acqua da un serbatoio a un altro, mentre altri sensori misurano la pressione quando l’acqua viene rilasciata dal serbatoio. In questo caso, i sensori acquisiscono diversi tipi di dati per assicurarsi che tutti i processi funzionino correttamente.
Comunicazione dei dati
I sistemi SCADA utilizzano una rete cablata per acquisire e trasferire dati tra utenti e dispositivi. Le applicazioni SCADA in tempo reale utilizzano componenti e sensori controllati in remoto. Si avvalgono anche delle comunicazioni internet. Poiché relè e sensori non possono comunicare direttamente, le RTU vengono utilizzate per interfacciare la rete di comunicazione e i sensori.
Presentazione dei dati
Le reti normali presentano indicatori visibili per il controllo. Nelle applicazioni SCADA in tempo reale, sono presenti numerosi allarmi e sensori che sarebbe impossibile gestire contemporaneamente. Il sistema SCADA utilizza l’HMI per mostrare tutti i dati acquisiti dai vari sensori.
Monitoraggio e controllo
Il sistema SCADA utilizza diversi interruttori per azionare i dispositivi e visualizzare lo stato dell’area monitorata. Qualsiasi parte può essere attivata/disattivata dalla stazione tramite questi interruttori. L’applicazione SCADA è progettata per funzionare automaticamente senza alcun intervento umano, tranne in situazioni critiche.
Tipi di SCADA
I sistemi SCADA sono classificati in quattro tipi: sistemi SCADA monolitici, sistemi SCADA distribuiti, sistemi SCADA in rete e sistemi SCADA IoT.
#1. Sistemi SCADA monolitici
I sistemi SCADA di prima generazione o di prima generazione sono noti come sistemi SCADA monolitici. In questi sistemi, venivano utilizzati i minicomputer. Lo sviluppo di sistemi SCADA monolitici è possibile quando non è disponibile un servizio di rete comune. Il design di questo sistema è simile a un sistema autonomo, il che significa che la progettazione di un sistema non deve essere collegata ad altri sistemi.
I dati possono essere acquisiti dalle RTU utilizzando un mainframe di backup. La funzione principale dei sistemi di prima generazione è limitata alla segnalazione dei processi e al monitoraggio dei sensori.
#2. Sistemi SCADA distribuiti
I sistemi SCADA distribuiti sono anche chiamati sistemi di seconda generazione. Le funzioni di controllo sono distribuite su vari sistemi collegati a una LAN. Le operazioni di controllo vengono eseguite tramite l’elaborazione dei comandi e la condivisione di dati in tempo reale.
In questo sistema, i costi e le dimensioni di ciascuna stazione sono ridotti, ma non esistono protocolli di rete coerenti.
#3. Sistemi SCADA in rete
I sistemi SCADA in rete sono noti come sistemi di terza generazione. La rete di comunicazione degli attuali sistemi SCADA funziona tramite sistemi WAN, utilizzando linee telefoniche o dati.
La trasmissione dei dati tra i nodi avviene tramite connessioni in fibra ottica o Ethernet. Questi sistemi utilizzano i PLC per regolare, monitorare e controllare le operazioni di segnalazione quando necessario.
#4. Sistemi SCADA IoT
I sistemi IoT SCADA sono noti come sistemi di quarta generazione. In questo caso, i costi infrastrutturali del sistema sono ridotti al minimo implementando l’IoT tramite il cloud computing. L’integrazione e la manutenzione di questi sistemi è più semplice rispetto ad altri.
In un sistema in tempo reale, lo stato dei componenti o dei dispositivi può essere segnalato facilmente tramite il cloud computing.
Vantaggi di SCADA
I vantaggi dei sistemi SCADA sono i seguenti:
- Scalabilità: i moderni sistemi SCADA sono scalabili per vari motivi, come una maggiore disponibilità di software e hardware supportati, l’uso del cloud computing per soddisfare le esigenze del carico di lavoro, ecc.
- Interoperabilità: i moderni sistemi SCADA non si basano su software e hardware proprietari, eliminando il vendor lock-in.
- Comunicazioni: SCADA supporta protocolli di comunicazione moderni che consentono una maggiore accessibilità ai controlli e ai dati SCADA.
- Supporto: i moderni sistemi SCADA sono ben supportati dai fornitori. L’uso di standard di rete aperti, piattaforme di sviluppo software moderne e hardware commerciale standard rende più accessibili anche i fornitori di terze parti.
Limitazioni dello SCADA
Alcuni dei limiti dei sistemi SCADA sono i seguenti:
- Sono dotati di unità hardware complesse e moduli dipendenti.
- Richiedono programmatori, operatori e analisti qualificati per la manutenzione.
- Il costo di installazione è elevato.
- Alcuni ritengono che SCADA possa contribuire all’aumento della disoccupazione.
Casi d’uso di SCADA
SCADA viene utilizzato in numerosi impianti industriali per supportare la gestione e l’automazione dei processi, in quanto questi ultimi sono diventati troppo complessi e difficili da monitorare manualmente.
SCADA è utile per i processi che possono essere controllati e monitorati da remoto, in particolare per ridurre al minimo gli sprechi e aumentare l’efficienza.
Ecco alcuni esempi di settori in cui l’automazione SCADA è comunemente utilizzata:
- Operazioni di raffinazione di petrolio e gas
- Produzione e distribuzione di energia elettrica
- Produzione chimica
- Infrastrutture di telecomunicazioni
- Produzione e processi correlati
- Infrastrutture di trasporto e spedizione
- Infrastrutture di servizi pubblici, come il controllo dell’acqua e dei rifiuti
- Trasformazione di alimenti e bevande
Grazie alla tecnologia SCADA, questi processi possono essere tracciati attentamente e gestiti correttamente, migliorando le performance nel tempo. Sistemi efficienti si traducono in un significativo risparmio di tempo e denaro.
Il mondo moderno utilizza sistemi SCADA di qualche tipo. Alcuni esempi sono: la manutenzione di sistemi di refrigerazione, la sicurezza della produzione in una raffineria, l’ottenimento di standard qualitativi in un impianto di trattamento delle acque reflue, il monitoraggio del consumo di energia domestica e altro ancora.
Come implementare una soluzione SCADA
È necessario considerare i seguenti passaggi importanti durante l’implementazione di un sistema SCADA:
- Definire in modo chiaro cosa si vuole monitorare e comprenderne il funzionamento.
- Stabilire quali tipi di dati si vogliono raccogliere e come.
- Aggiungere gateway per collegarsi ai punti di raccolta dati esistenti.
- Creare nuovi punti di raccolta dati se necessario.
- Centralizzare i dati nella posizione di monitoraggio desiderata.
- Mappare i dati nell’applicazione SCADA scelta.
- Aggiungere visualizzazioni dei controlli e dei processi dei dati.
- Definire regole e automazione.
Una volta completati tutti questi passaggi, il software SCADA si occuperà del resto. Aiuterà a interagire con la struttura, segnalare eventuali problemi, informare sulla manutenzione predittiva e offrire il controllo sulle apparecchiature.
Conclusione
SCADA offre un modo efficiente per controllare e gestire i processi e i dati industriali, rilevare i problemi di sistema e comunicarli per una rapida risoluzione. Pertanto, invece di fare tutto manualmente o di sprecare tempo e risorse, è possibile automatizzare questi processi utilizzando un sistema SCADA.
SCADA viene implementato con obiettivi specifici. Pertanto, quando si decide di implementarlo nella propria azienda, è fondamentale definire le proprie esigenze e automatizzare i processi di conseguenza.